اثر نسبت منظری و خلوص نانولوله‌های کربن چنددیواره بر شکل‌شناسی سطح و خواص الکتریکی نانوالیاف کامپوزیتی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسنده

اصفهان، دانشگاه صنعتی اصفهان، دانشکده مهندسی نساجی، صندوق پستی: 83111-84156

چکیده

الکتروریسی محلول‌های پلیمری دارای نانوذرات، نوعی قابلیت تولید نانوالیاف کامپوزیتی نوین برای کاربردهای کارآمد است. در پژوهش حاضر، آثار نسبت منظری و خلوص نانولوله‌های کربن چنددیواره (MWCNTs) بر خواص ساختاری و الکتریکی نانوالیاف کامپوزیتی تولید شده با روش الکتروریسی بررسی شده‌اند. ابتدا، نانولوله‌های کربن مصرفی با استفاده از میکروسکوپی الکترونی پویشی (SEM) و طیف‌سنجی رامان مطالعه شدند. سپس، پراکنش برای تهیه محلول‌های نانوکامپوزیتی دارای MWCNTs به روش فیزیکی و با استفاده از ماده سطح‌فعال غیریونی انجام شد. در انتها، محلول‌های کامپوزیتی تهیه شده به سرنگ شیشه‌ای متصل به منبع تغذیه جریان DC اضافه شدند و فرایند الکتروریسی با استفاده از ولتاژ kV 15 بین سوزن و جمع‌کننده انجام شد. نتایج حاکی از وابستگی خلوص و بلورینگی نانولوله‌های کربن به شدت پیک G و نسبت پیک‌های G/D است. خواص ساختاری نانوالیاف کامپوزیتی نشانگر وابستگی شدید آن به ابعاد نانولوله‌های کربن است، به‌طوری که در نسبت‌های منظری بیشتر، خواص ساختاری نانوالیاف بهبود می‌یابد. تحلیل ساختاری نانوالیاف کامپوزیتی نشانگر تغییر ساختار نانوالیاف با افزایش قطر MWCNTs است. ساختارهای بسیار صاف از نانوالیاف کامپوزیتی دارای %1 وزنی نانولوله کربن حاکی از کیفیت پراکنش بسیار مناسب نانولوله‌های کربن روی ساختار نانوالیاف تولید شده است. نانوالیاف کامپوزیتی با مقدار خلوص و نسبت منظری ییشتر، خواص الکتریکی مطلوب‌تری دارند. همچنین، مقدار رسانندگی الکتریکی نانوالیاف کامپوزیتی را می‌توان از مقادیر S/cm 10-8 (عایق) تا 3-10 S/cm (رسانا) با انتخاب نانولوله کربن با نسبت منظری و مقدار خلوص متفاوت تنظیم کرد. بنابراین، استفاده از نانولوله‌های کربن با نسبت منظری و خلوص بیشتر در ساختار نانوالیاف کامپوزیتی روش بسیار مناسبی برای توسعه ویژگی‌های ساختاری و عملکرد الکتریکی نانوالیاف الکتروریسی شده به‌شمارمی‌آید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of Multi-Walled Carbon Nanotubes' Aspect Ratio and Purity on the Surface Morphology and Electrical Properties of Composite Nanofibers

نویسنده [English]

  • Komil Nasouri
Department of Textile Engineering, Isfahan University of Technology, P.O. Box: 84156-83111,
چکیده [English]

Hypothesis: Electrospinning of nanoparticles/polymer solutions offers the potential to achieve novel composite nanofibers in a variety of high performance applications. In this respect, the aspect ratio and purity of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were examined to study the morphological and electrical properties of the electrospun composite nanofibers.
Methods: In the first step, MWCNTs samples were characterized using scanning electron microscopy (SEM) and Raman spectroscopy. Next, nanocomposite solutions containing MWCNTs were prepared by physical dispersion method in presence of a non-ionic surfactant. Finally, the prepared composite solutions were loaded to a glass syringe and connected to a DC power supply device. The electrospinning was performed by applying a high voltage of 15kV between the needle and the rotating collector.
Findings: It is generally accepted that a combination of G-band intensity and G/D ratio is useful to evaluate the purity and crystallinity of MWCNTs. The morphological properties of the electrospun composite nanofibers showed their high dependency on carbon nanotubes dimensions, so that at higher aspect ratios the morphological properties generally improved. The morphological analysis of the composite nanofibers revealed that the deformation of the nanofibers increased with increasing MWCNTs diameter. Very smooth surfaces of the composite electrospun nanofibers even with 1 wt% MWCNT concentration were successfully achieved because of the high stability of MWCNT dispersions. The composite nanofibers with higher purity and aspect ratio presented better electrical conductivity. The electrical conductivity of electrospun composite nanofibers could be adjusted from ~10–8 S/cm (insulator) to ~10–3 S/cm (conductor) by different aspect ratios and purities of MWCNTs. MWCNTs with high aspect ratio and high purity offer a promising way to develop electrospun composite nanofibers with improved morphological and electrical properties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • electrospinning
  • carbon nanotubes
  • purity
  • aspect ratio
  • electrical conductivity

مراجع

  1. Pilehrood M.K., Heikkila P., and Harlin A., Preparation of Carbon Nanotube Embedded in Polyacrylonitrile (PAN) Nanofibre Composites by Electrospining Process, AUTEX Res. J., 12, 1-6, 2012.
  2. Zhang M. and Li J., Carbon Nanotube in Different Shapes, Mater. Today,12, 12-18, 2009.
  3. Maitra T., Sharma S., Srivastava A., Cho Y.K., Madou M., and Sharma A., Improved Graphitization and Electrical Conductivity of Suspended Carbon Nanofibers Derived from Carbon Nanotube/Polyacrylonitrile Composites by Directed Electrospinning, Carbon, 50, 1753-1761, 2012.
  4. Nasouri K., Shoushtari A.M., and Mojtahedi M.R.M., Synthesis and Characterization of Highly Dispersed Multi-walled Carbon Nanotubes/Polyvinylpyrrolidone Composite Nanofibers for EMI Shielding Application, Polym. Compos., 38, 2026-2034, 2017.
  5. Sahoo N.G., Rana S., Chob J.W., Li L., and Chan S.H., Polymer Nanocomposites based on Functionalized Carbon Nanotubes, Prog. Polym. Sci., 35, 837-867, 2010.
  6. Ayatollahi M.R., Shadlou S., Shokrieh M.M., and Chitsazzadeh M., Effect of Multi-walled Carbon Nanotube Aspect Ratio on Mechanical and Electrical Properties of Epoxy-based Nanocomposites, Polym. Test., 30, 548-556, 2011.
  7. Gojny F.H., Wichmann M.H.G., Fiedler B., and Schulte K., Influence of Different Carbon Nanotubes on the Mechanical Properties of Epoxy Matrix Composites-A Comparative Study, Compos. Sci. Technol., 65, 2300-2313, 2005.
  8. Lima A.M.F., Musumeci A.W., Liu H.W, Waclawik E.R., and Silva G.G., Purity Evaluation and Influence of Carbon Nanotube on Carbon Nanotube/Graphite Thermal Stability, J. Therm. Anal. Calorim., 97, 257-263, 2009.
  9. Miyata Y., Mizuno K., and Kataura H., Purity and Defect Characterization of Single-Wall Carbon Nanotubes Using Raman Spectroscopy, J. Nanomate., 2011, 763-770, 2011.
  10. DiLeo R.A., Landi B.J., and Raffaellea R.P., Purity Assessment of Multiwalled Carbon Nanotubes by Raman Spectroscopy, J. Appl. Phys., 101, 307-312, 2007.
  11. Dillon A.C., Yudasaka M., and Dresselhaus M.S., Employing Raman Spectroscopy to Qualitatively Evaluate the Purity of Carbon Single-Wall Nanotube Materials, J. Nanosci.  Nanotechnol., 4, 691-703, 2004.
  12. Tam N.T.T., Nghia N.X., Quynh N.T., Khoi P.H., and Minh P.N., Analyzing the Purity of Carbon Nanotubes by Using Different Methods, J. Korean Phys. Soc., 52, 1382-1385, 2008.
  13. Zhang S., Wu J.Y., Tse C.T., and Niu J., Effective Dispersion of Multi-wall Carbon Nano-tubes in Hexadecane Through Physiochemical Modification and Decrease of Super Cooling, Solar Energ. Mater. Solar Cells,  96, 124-130, 2012.
  14. Nasouri K., Shoushtari A.M., Kaflou A., Bahrambeygi H., and Rabbi A., Single-Wall Carbon Nanotubes Dispersion Behavior and Its Effects on the Morphological and Mechanical Properties of the Electrospun Nanofibers, Polym. Compos., 33, 1951-1959, 2012.
  15. Salimbeygi G., Nasouri K., Shoushtari A.M., Malek R., and Mazaheri F., Fabrication of Polyvinyl Alcohol/Multi-walled Carbon Nanotubes Composite Electrospun Nanofibres and Their Application as Microwave Absorbing Material, Micro and Nano Letters, 8, 555-559, 2013.
  16. Li Y., Chen C., Zhang S., Ni Y., and Huang J., Electrical Conductivity and Electromagnetic Interference Shielding Characteristics of Multiwalled Carbon Nanotube Filled Polyacrylate Composite Films, Appl. Surface Sci., 254, 5766-5771, 2008.
  17. Mohanty A.K., Ghosh A., Sawai P., Pareek K., Banerjee S., Das A., Potschke P., Heinrich G., and Voit B., Electromagnetic Interference Shielding Effectiveness of MWCNT Filled Poly(ether sulfone) and Poly(ether imide) Nanocomposites, Polym. Eng. Sci., 54, 2560-2570, 2014.
  18. Baji A., Mai Y.W., Wong S.C., Abtahi M., and Du X., Mechanical Behavior of Self-Assembled Carbon Nanotube Reinforced Nylon 66 Fibers, Compos. Sci. Technol., 70, 1401-1409, 2010.
  19. Zhou W., Wu Y., Wei F., Luo G., and Qian W., Elastic Deformation of Multi-walled Carbon Nanotubes in Electrospun MWCNTs–PEO and MWCNTs–PVA Nanofibers, Polymer, 46, 12689-12695, 2005.
  20. Qavamnia S.S. and Nasouri K., Facile Fabrication of Carbon Nanotubes/Polystyrene Composite Nanofibers for High-performance Electromagnetic Interference Shielding, Fibers Polym., 17, 1977-1984, 2016.
  21. Ouyang Z., Li J., Wang J., Li Q., Ni T., Zhang X., Wang H., Li Q., Su Z., and Wei G., Fabrication, Characterization and Sensor Application of Electrospun Polyurethane Nanofibers Filled with Carbon Nanotubes and Silver Nanoparticles, J. Mater. Chem., B 1, 2415-2424, 2013.
  22. Pan H., Zhang Y., Hang Y., Shao H., Hu X., Xu Y., and Feng C., Significantly Reinforced Composite Fibers Electrospun from Silk Fibroin/Carbon Nanotube Aqueous Solutions, Biomacromolecules, 13, 2859-2867, 2012.
  23. Shao S., Zhou S., Li L., Li J., Luo C., Wang J., Li X., and Weng J., Osteoblast Function on Electrically Conductive Electrospun PLA/MWCNTs Nanofibers, Biomaterials 32, 2821-2833, 2011.
  24. Wu C.M. and Chou M.H., Polymorphism, Piezoelectricity and Sound Absorption of Electrospun PVDF Membranes with and without Carbon Nanotubes, Compos. Sci. Technol., 127, 127-133, 2016.
  25. Merati A.A., Shoushtari A.M., and Mirzaei J., A Comparison Between the UV Protection of PAN/ ZnO and PAN/ MWNT Composite Nanofiber Mats, J. Text. Institute, 108, 12-14, 2017.
  26. Li M., Guo Y., Wei Y., MacDiarmid A.G., and Lelkes P.I., Electrospinning Polyaniline-contained Gelatin Nanofibers for Tissue Engineering Applications, Biomaterials, 27, 2705-2715, 2006.
  27. Hong K.H., Oh K.W., and Kang T.J., Preparation of Conducting Nylon-6 Electrospun Fiber Webs by the In Situ Polymerization of Polyaniline, J. Appl. Polym. Sci., 96, 983-991, 2005.
  28. Qavamnia S.S. and Nasouri K., Conductive Polyacrylonitrile/Polyaniline Nanofibers Prepared by Electrospinning Process, Polym. Sci. Series A, 57, 343-349, 2015.
  29. Nasouri K., Shoushtari A.M., and Mojtahedi M.R.M., Effects of Polymer/Solvent Systems on Electrospun Polyvinylpyrrolidone Nanofiber Morphology and Diameter, Polym. Sci. Series A, 57, 747-755, 2015.
  30. Nasouri K., Shoushtari A.M., and Mojtahedi M.R.M., Evaluation of Effective Electrospinning Parameters Controlling Polyvinylpyrrolidone Nanofibers Surface Morphology via Response Surface Methodology, Fibers Polym., 16, 1941-1954, 2015.
  31. McNally T., Potschke P., Halley P., Murphy M., Martin D., Bell S.E.J., Brennan G.P., Bein D., Lemoine P., and Quinng J.P., Polyethylene Multi-walled Carbon Nanotube Composites, Polymer, 46, 8222–8232, 2005.
  32. Murphy H., Papakonstantinou P., and Okpalugo T.I.T., Raman Study of Multi-walled Carbon Nanotubes Functionalized with Oxygen Groups, J. Vacuum Sci. Technol., B 24, 715-720, 2006.
  33. Jorio A., Pimenta M.A., Filho A.G.S., Saito R., Dresselhaus G., and Dresselhaus M.S., Characterizing Carbon Nanotube Samples with Resonance Raman Scattering, New J. Phys., 5, 139-146, 2003.
  34. Salimbeygi G., Nasouri K., and Shoushtari A.M., Fabrication of Homogeneous Multi-walled Carbon Nanotube/Poly(vinyl alcohol) Composite Films Using Microwave Absorption Application, Fibers Polym., 15, 583-588, 2014.
  35. Yun J., Im J.S., Lee Y.S., and Kim H.I., Effect of Oxyfluorination on Electromagnetic Interference Shielding Behavior of MWCNT/PVA/PAAc Composite Microcapsules, Eur. Polym. J., 46, 900-909, 2010.
  36. Yu J., Grossiord N., Koning C.E., and Loos J., Controlling the Dispersion of Multi-wall Carbon Nanotubes in Aqueous Surfactant Solution, Carbon, 45, 618-623, 2007. 
  37. Prilutsky S., Zussman E., and Cohen Y., The Effect of Embedded Carbon Nanotubes on the Morphological Evolution During the Carbonization of Poly(acrylonitrile) Nanofibers, Nanotechnology, 19, 603-613, 2008.

 

مجله علوم و تکنولوژی پلیمر
دوره 31، شماره 3 - شماره پیاپی 155
مرداد و شهریور 1397
صفحه 275-287

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار