Peeling Six Square Boron Nitride Nano Sheet Tăng cường nghiên cứu hiệu suất Polypropylene Composite

I. Giới thiệu

Bài viết này thuộc về chuyên đề ứng dụng máy đồng nhất vi phản lực, toàn văn tổng cộng 11.500 chữ, đọc khoảng 40 phút.

Tóm tắt

Nghiên cứu này đã chuẩn bị các tấm nano boron nitride hình lục giác (e-hBN) bằng phương pháp đồng nhất microjet và kết hợp chúng với polypropylene (PP) bằng cách sử dụng công nghệ đùn nóng chảy. Kết quả cho thấy sự phân tán đồng đều của e-hBN trong ma trận PP là chìa khóa để tăng đáng kể một số tính chất của vật liệu composite: trong homopolyPP (HP), e-hBN đồng thời tăng cường độ bền kéo và độ dẻo dai của vật liệu; Đối với copolymer PP chống va đập (IP), cải thiện tính chất cơ học của nó là hạn chế, nhưng sự ổn định chống oxy hóa của tất cả các vật liệu composite được cải thiện đáng kể do tác dụng rào cản của e-hBN và chỉ số carbonyl giảm đáng kể sau khi lão hóa nhiệt. Ngoài ra, việc bổ sung e-hBN làm tăng độ dẫn nhiệt của vật liệu composite. Kết hợp với nhau, e-hBN là một chất độn nano đa chức năng có hiệu quả mang lại hiệu suất toàn diện tốt hơn cho vật liệu composite PP.

Từ khóa

Tước boron nitride sáu bên; Máy đồng nhất vi phản lực; Vật liệu composite polypropylene; dẫn nhiệt; Tính chất cơ học; Ổn định oxy hóa

II. Khung tổng thể

Giải thích thuật ngữ

III. Giới thiệu

Nghiên cứu này nhằm mục đích giải quyết các hạn chế như độ dẫn nhiệt thấp vốn có của vật liệu polypropylene, khả năng chống oxy hóa kém và độ bền cơ học không đủ bằng cách giới thiệu e-hBN. So với chất độn truyền thống, mặc dù h-BN có sự kết hợp độc đáo giữa độ dẫn nhiệt và cách nhiệt cao, nhưng khả năng phân tán kém trong ma trận polyme là thách thức chính. Sự đổi mới của nghiên cứu này là một nghiên cứu có hệ thống về tác động của quá trình tước đối với hiệu ứng phân tán h-BN trong ma trận PP và tập trung đánh giá tác dụng tăng cường của e-hBN này đối với nhiệt, cơ học và tính chất chống oxy hóa lâu dài của vật liệu composite để lấp đầy khoảng trống nghiên cứu trong lĩnh vực này.

IV. Quy trình cơ bản

Liên kết	Các bước cốt lõi	Chi tiết chính và các thông số
Chuẩn bị vật liệu	Nguyên liệu thô	-H-BNDenka Nhật Bản -Trang chủ@Long: đoạn sau wen gòi:mohoi (HPVớiThông tin IP） -Dung môi và chất phân tánNMP, P4VP
h-BN lột	Tách pha lỏng	1. Phân tán trước: h-BN trộn với P4VP trong NMP, cắt tốc độ cao (5000 vòng/phút, 1 giờ). 2. Đồng nhất hóa Microjet: Sử dụng máy đồng nhất Microjet, trong190 MpaVòng lặp xuống5Lần sau. 3. Hậu xử lý: Ly tâm, rửa, đông khô có đượcE-HBNBột.
Chuẩn bị vật liệu composite	Hỗn hợp nóng chảy	1. trộn sẵn: Sử dụngMáy trộn cộng hưởng AcousticTrộn chất độn với các hạt PP. 2. Nóng chảy đùn: Sử dụngMáy đùn trục vít đôiTiến hành dung hợp lẫn lộn. 3. Khuôn ép nóng: Sử dụngMáy ép viên nénÉp nóng thành tấm thử nghiệm tiêu chuẩn.
Đặc tính&Kiểm tra	Đánh giá hiệu suất	-Cấu trúc và hình dạngXRD, SEM, 3D XRM -Hiệu suất nhiệt: TGA, DSC (OIT), Độ dẫn nhiệt -Tính chất cơ học: Kiểm tra độ bền kéo -Ổn định oxy hóa: FTIR (Chỉ số cacbonyl CI)

V. Kết quả và thảo luận

h-BN tăng cường đặc tính của vật liệu composite PP

Nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp có hệ thống để chuẩn bị vật liệu composite polypropylene gia cố h-BN. Lần đầu tiên, h-BN được tách ra bằng công nghệ đồng nhất hóa microjet, đặc tính SEM và XRD cùng nhau xác nhận việc thu được thành công các tấm nano h-BN loại vỏ với khoảng cách lớp lớn hơn và độ dày giảm. Để đạt được sự phân tán lý tưởng của chất độn trong ma trận, nghiên cứu đã sử dụng máy trộn âm cộng hưởng để phủ trước các tấm nano e-hBN lên bề mặt hạt PP trước khi kết hợp bằng cách đùn nóng chảy. Chiến lược chuẩn bị này đặt nền tảng cho việc thu được vật liệu composite với hiệu suất tuyệt vời bằng cách tối ưu hóa quá trình phân tán.

Để đảm bảo tước hiệu quả và phân tán đồng đều của các tấm nano h-BN, quá trình tước pha lỏng sử dụng máy đồng nhất microjet đã được thông qua. Phương pháp này dựa vào việc áp dụng lực cắt mạnh và áp suất cao để khắc phục hiệu quả lực Van der Waals mạnh giữa các lớp h-BN của cơ thể. Hệ thống treo h-BN bị buộc phải đi qua các khoảng trống hẹp ở tốc độ cao, tạo ra sự nhiễu loạn và ứng suất cắt cần thiết để tách các lớp dày thành các tấm nano mỏng. Các tấm nano bong tróc kết quả cho thấy một hệ thống treo màu trắng ổn định, trực quan xác nhận sự lột bỏ thành công.

Quá trình bong tróc được xác minh thêm bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), như thể hiện trong Hình 2b. Hình ảnh cho thấy khối h-BN bao gồm các lớp dày xếp chồng lên nhau, trong khi các tấm nano h-BN bị tước cho thấy độ dày giảm đáng kể và kích thước bên tăng lên. Sự thay đổi hình thái này giúp tăng cường diện tích bề mặt của các tấm nano h-BN, thúc đẩy tương tác giao diện tốt hơn với ma trận PP và giúp cải thiện hiệu suất của vật liệu composite. Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) cung cấp thêm bằng chứng về việc tẩy tế bào chết thành công (Hình 2c). Bản đồ XRD của h-BN khối cho thấy các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở các giá trị 2θ 26,8, 41,7, 43,9, 50,2 và 55,2 °, tương ứng với các mặt phẳng (002), (100), (101), (102) và (004) của các pha h-BN lục giác, với sự giảm đáng kể sức mạnh của đỉnh (002) được quan sát cùng với độ rộng của đỉnh. Những thay đổi này cho thấy sự suy yếu của ngăn xếp lớp dọc theo trục C, xác nhận sự tách biệt của lớp h-BN. Ngoài ra, đỉnh (002) được bù đắp 26,3 ° với khoảng cách (d002) 0,35 nm, cho thấy sự gia tăng phân tách giữa các lớp, xác nhận việc sản xuất thành công các tấm nano h-BN bị tước.

Việc chuẩn bị vật liệu composite polypropylene (PP) được tăng cường với tấm nano h-BN (e-hBN) bị tước liên quan đến hai bước quan trọng, như thể hiện trong Hình 3. Trong bước đầu tiên, các tấm nano e-hBN được phủ đều trên các hạt PP bằng máy trộn âm cộng hưởng (Hình 3a). Sóng âm tần số cao được tạo ra bởi máy trộn âm thanh tạo ra rung động nhanh, cho phép các chip nano e-hBN phân tán đều và bám dính hiệu quả vào bề mặt hạt PP. Bước này rất quan trọng vì nó đảm bảo rằng các tấm nano được phân phối đều trong ma trận polymer trong quá trình xử lý tiếp theo, do đó tăng cường tính đồng nhất và hiệu suất tổng thể của vật liệu composite. Trong bước thứ hai, quá trình đùn nóng chảy được thực hiện trên các hạt PP được phủ h-BN (Hình 3b). Trong quá trình này, hỗn hợp được làm nóng để làm tan chảy PP, tạo điều kiện cho việc trộn các tấm nano với ma trận polymer. Phương pháp này không chỉ đảm bảo sự pha trộn đồng đều của e-hBN mà còn thúc đẩy liên kết giao diện mạnh mẽ giữa chất độn và polymer.

h-BN tăng cường tính chất cơ học của vật liệu composite PP

HP tinh khiết cho thấy độ bền kéo tuyệt vời (30,42 ± 1,5 MPa) so với copolymer chống va đập PP (IP), nhờ độ tinh thể cao hơn. Tuy nhiên, HP cho thấy độ giãn dài và độ dẻo dai thấp hơn, làm nổi bật độ cứng của nó nhưng giảm độ dẻo. Việc bổ sung h-BN xếp chồng lên nhau (hBN-HP) dẫn đến giảm độ bền kéo và độ dẻo dai, chủ yếu làDo sự kết hợp của các hạt h-BN, các hạt h-BN hoạt động như một bộ thu căng thẳng và cản trở việc truyền căng thẳng。

Ngược lại, việc pha trộn h-BN (e-hBN-HP) đã làm tăng đáng kể độ bền kéo (32,88 ± 0,45 MPa, tăng 14,3%); p=0,03) và độ dẻo dai (1 MPa ± 11,73, tăng 11,6%; p = 0.07）。 những cái nàySự gia tăng được quy cho sự phân tán đồng đều của các tấm nano e-hBN trong ma trận polymer, dẫn đến truyền tải căng thẳng hiệu quả cao, như XRM Imaging đã xác nhận (Hình S1)

Ngược lại, các mẫu IP cho thấy độ giãn dài và độ dẻo dai cao hơn so với HP do miền ethylene giống như cao su trong ma trận. Tuy nhiên, việc pha trộn h-BN xếp chồng lên nhau (hBN-IP) làm giảm đáng kể độ giãn dài và độ dẻo dai, có thể là do sự phân tán chất độn kém và tương tác giao diện chất độn-ma trận yếu. Sự pha trộn của h-BN (e-hBN-IP) bong tróc cũng dẫn đến giảm độ giãn dài và độ dẻo dai của mẫu IP, mặc dù sự giảm này ít đáng chú ý hơn so với h-BN xếp chồng lên nhau. Những quan sát này cho thấy sự cải thiện hạn chế về tính chất cơ học của vật liệu composite e-hBN-IP bắt nguồn từ sự tương tác giao diện kém giữa ma trận IP và nanomet h-BN, cũng như tính không đồng nhất vốn có của ma trận IP. Xu hướng này phù hợp với những phát hiện được báo cáo bởi Chan et al., người đã quan sát thấy những thay đổi không đáng kể về tính chất cơ học sau khi bổ sung 10%, 15% và 20% h-BN.

Do đó, tính chất cơ học của vật liệu composite PP có thể được cải thiện đáng kể bằng cách thêm các tấm nano h-BN đã bóc vỏ, đặc biệt là trong PP homopolytic. Sự gia tăng độ bền kéo và độ dẻo dai quan sát được là do sự phân tán đồng đều và truyền căng thẳng hiệu quả đạt được bởi h-BN bong tróc. Tối ưu hóa các kỹ thuật phân tán và tăng cường tương tác chất độn-ma trận có thể cải thiện hơn nữa tính chất cơ học của các vật liệu composite này, đặc biệt là trong các ma trận có cấu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn như copolymer tác động PP. Các tính chất cơ học của vật liệu composite được phát triển trong nghiên cứu này đã được so sánh với các báo cáo tài liệu về vật liệu composite PP gia cố h-BN (Bảng 3). Độ bền kéo và độ dẻo dai đạt được bởi e-hBN tăng cường vật liệu composite HP (e-hBN-HP) là cạnh tranh, chứng minh hiệu quả của việc tước h-BN trong việc cải thiện hiệu suất của vật liệu composite.

h-BN tăng cường tính chất nhiệt của vật liệu composite polypropylene

Độ ổn định nhiệt của vật liệu composite polypropylene (PP) được tăng cường h-BN đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân tích trọng lượng nhiệt (TGA) và phân tích trọng lượng nhiệt có nguồn gốc (DTGA). Hình 5a cho thấy đường cong TGA của h-BN và h-BN (e-hBN) rơi ra, cho thấy h-BN tự nó có độ ổn định nhiệt tuyệt vời và mất ít hơn 1% trọng lượng.

Các mẫu e-hBN cho thấy giảm trọng lượng nhỏ hơn, do dư lượng poly (4-vinyl pyridine) (P4VP), được sử dụng làm chất phân tán trong quá trình chuẩn bị e-hBN. Tuy nhiên, mặc dù h-BN có độ ổn định nhiệt cao, sự phân hủy nhiệt của PP không được cải thiện đáng kể sau khi h-BN được thêm vào, như trong Hình 5b, c. Các mẫu HP, h-BN-HP và e-hBN-HP tinh khiết có nhiệt độ phân hủy khoảng 450 ° C và tốc độ phân hủy tương tự. Xu hướng tương tự đã được quan sát thấy trong các mẫu h-BN-IP, vì vậy Hình S2 cung cấp dữ liệu TGA và DTGA cho các mẫu này. Điều này cho thấy rằng việc bổ sung h-BN không làm thay đổi đáng kể hành vi nhiệt phân của ma trận PP, mặc dù sự hiện diện của h-BN giúp duy trì tính toàn vẹn cấu trúc của vật liệu composite ở nhiệt độ cao hơn.

Các đặc tính kết tinh và nóng chảy của vật liệu composite PP được phân tích bằng các phép đo DSC. Công thức tính phần trăm độ tinh thể là:trong đólà nhiệt nóng chảy của mẫu PP,Là nhiệt nóng chảy của PP tinh khiết (207 J/g). Tỷ lệ kết tinh của HP tinh khiết và IP là 35,3% và 31,5%, và đỉnh nóng chảy của cả hai mẫu được quan sát thấy ở 163 ° C (Hình 6a). Sự khác biệt về độ tinh thể giữa HP và IP có liên quan đến tính chất cơ học của nó, trong đó HP có độ tinh thể cao hơn và thể hiện sức mạnh cao hơn, trong khi độ tinh thể thấp hơn của IP giúp tăng cường độ dẻo của nó. Mặc dù h-BN đã được thêm vào vật liệu composite PP, không có cải thiện đáng kể nào về tính chất nhiệt của PP, cho thấy rằng việc tăng cường h-BN không ảnh hưởng đáng kể đến tính kết tinh hoặc nóng chảy của ma trận polyme, như trong Bảng 3.

Thời gian cảm ứng oxy (OIT) được đo để đánh giá độ ổn định nhiệt oxy hóa của vật liệu composite PP (Hình S3).

Giá trị OIT được xác định ở 180 ° C vì giá trị OIT ở 200 và 220 ° C là không thực tế vì giá trị nhỏ hơn 1 phút. Đối với HP thuần túy và IP, giá trị OIT lần lượt là 4,6 phút và 11 phút (Hình 6b). Việc bổ sung h-BN làm tăng OIT của h-BN-HP lên 9,67 phút và H-BN-IP lên 26 phút (Hình 6c). h-BN rơi ra được tăng cường hơn nữa, dẫn đến giá trị OIT của e-hBN-HP là 13 phút và giá trị OIT của e-hBN-IP là 34 phút (Hình 6d). Những kết quả này cho thấy rằng việc bổ sung boron nitride hexalate (h-BN), đặc biệt là dạng vỏ (e-hBN), cải thiện đáng kể tính ổn định oxy hóa và tính chất nhiệt của vật liệu composite polypropylene (PP).Sự gia tăng thời gian gây oxy hóa (OIT) được quan sát thấy trong các mẫu PP tăng cường h-BN và e-hBN cho thấy h-BN là một rào cản hiệu quả chống lại sự khuếch tán oxy, do đó làm chậm sự khởi đầu của quá trình oxy hóa. Sự phân tán tốt hơn của e-hBN trong ma trận PP tiếp tục tăng cường hiệu quả bảo vệ này, bằng chứng là giá trị OIT cao hơn của các mẫu e-hBN-HP và e-hBN-IP so với các mẫu chưa bóc vỏ.. Sự gia tăng ổn định oxy hóa này một phần là do độ dẫn nhiệt cao h-BN, do đó tăng cường hiệu suất tản nhiệt của vật liệu composite. Ngoài phép đo OIT, phép đo độ dẫn nhiệt có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc quan trọng về tính chất nhiệt của vật liệu composite. Việc bổ sung h-BN dẫn nhiệt làm tăng độ dẫn nhiệt của ma trận PP và góp phần tản nhiệt tốt hơn. Vật liệu composite gia cố e-hBN cho thấy độ dẫn nhiệt cao hơn (Hình 7), có thể là do tính phân tán của e-hBN trong ma trận PP, tăng cường hiệu suất tản nhiệt của vật liệu composite

Khả năng chống oxy hóa của vật liệu composite được đánh giá thông qua nghiên cứu lão hóa nhiệt, trong đó các mẫu HP và IP đều được đặt ở nhiệt độ 120 ° C trong 250 và 500 giờ để mô phỏng phơi nhiễm nhiệt lâu dài. Để theo dõi sự hình thành các sản phẩm oxy hóa, đặc biệt là nhóm cacbonyl (-C λ O), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) được sử dụng.

Quang phổ FTIR (Hình 8a) cho thấy nhóm cacbonyl trong khoảng 1700–1780Các đỉnh hấp thụ đặc trưng của khu vực, cho thấy quá trình oxy hóa polymer. Chỉ số cacbonyl (CI) là một chỉ số hiệu quả để đánh giá mức độ oxy hóa của mẫu polymer, được tính là đỉnh cacbonyl (1700-1780)Chiều dày mối hàn góc (2730)) Tỷ lệ cường độ. Đúng như dự đoán, sự lão hóa nhiệt của các mẫu HP và IP tinh khiết đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể sức mạnh đỉnh carbonyl và chỉ số carbonyl (CI) cho thấy sự gia tăng đáng kể. Đối với mẫu HP, giá trị CI tăng từ 0,12 (tinh khiết) lên 1,14 sau 250 giờ và 1,17 sau 500 giờ lão hóa, cho thấy quá trình oxy hóa đáng kể. Tương tự, đối với các mẫu IP, giá trị CI tăng từ 0,18 (tinh khiết) lên 1,0 sau 250 giờ và từ 1,25 lên 1,25 sau 500 giờ, cho thấy quá trình oxy hóa đáng kể đã xảy ra theo thời gian. Tuy nhiên, việc bổ sung các tấm nano h-BN vào ma trận PP đã cải thiện đáng kể khả năng chống oxy hóa, với giá trị CI thấp hơn cho các mẫu HP và IP được tăng cường h-BN và h-BN (e-hBN) bị tước so với các mẫu lão hóa nhiệt không có h-BN. Kết quả FTIR hỗ trợ thêm kết quả của nghiên cứu OIT, xác nhận rằng việc bổ sung các tấm nano h-BN, cho dù không bong tróc hay bóc vỏ, đã tăng cường khả năng chống oxy hóa của vật liệu composite PP. Các mẫu tăng cường h-BN có giá trị CI thấp hơn so với các mẫu PP lão hóa nhiệt không chứa h-BN, cho thấy mức độ oxy hóa giảm. Điều này cho thấy sự pha trộn của các tấm nano h-BN, đặc biệt là các tấm đã bong tróc, làm tăng khả năng chống oxy hóa của vật liệu trong điều kiện lão hóa nhiệt.

VI. Kết luận

Nghiên cứu này đã xác nhận thành công,Tước Boron Nitride Hexagon (e-hBN)Là một chất độn nano hiệu suất cao, nó có thể nâng cao đáng kể hiệu suất toàn diện của vật liệu composite polypropylene (PP). Đây là kết luận cốt lõi của nó:

1. Chuẩn bị và phân tán là chìa khóa: Áp dụngPhương pháp đồng nhất Microjete-hBN đã được chuẩn bị thành công và thông quaHỗn hợp âm thanh với đùn nóng chảyQuá trình kết hợp để thực hiện e-hBN trong ma trận PPPhân tán đồng đềuĐây là nền tảng để nâng cao tính năng.

2. Cải thiện đáng kể tính chất cơ học (đặc biệt là trong HP): TrongPP đồng nhất (HP)Việc bổ sung e-hBN đã được thực hiện.Tăng cường đồng bộ sức mạnh với độ dẻo dai. Trong khi trong PP đồng trùng hợp tác động (IP), do cấu trúc phức tạp của ma trận chính nó, cải thiện tính chất cơ học bị hạn chế.

3. Sự ổn định oxy hóa nhiệt được cải thiện đáng kể:e-hBN thêm đáng kể kéo dài vật liệuThời gian cảm ứng oxy hóa (OIT)Và giảm hiệu quả sau khi lão hóa nhiệt.Chỉ số cacbonyl (CI). Điều này cho thấy e-hBN có thể hoạt động như một rào cản vật lý, có hiệu quả trong việc ngăn chặn sự khuếch tán oxy và trì hoãn sự suy thoái oxy hóa của PP.

4. Độ dẫn nhiệt được cải thiện:e-hBN tạo thành một con đường dẫn nhiệt hiệu quả hơn trong ma trận PP, cho phép vật liệu compositeĐộ dẫn nhiệt được nâng lên.。

5. Hành vi nhiệt phân không bị ảnh hưởng đáng kểViệc bổ sung chất độn không thay đổi chính PP.Nhiệt độ phân hủy nhiệtNó chỉ ra rằng nó chủ yếu nâng cao sự ổn định thông qua các tác động vật lý, chứ không phải thay đổi cơ chế phân hủy hóa học của polymer.

Giải pháp tổng thể cho xử lý đồng nhất Microjet