Comparison of Properties of Polymer Composite Materials Reinforced with Carbon Nanotubes

Abstract

Carbon nanotubes because of their high mechanical, optical or electrical properties, have found use as semiconducting materials constituting the reinforcing phase in composite materials. The paper presents the results of the studies on the mechanical properties of polymer composites reinforced with carbon nanotubes (CNT). Three-point bending tests were carried out on the composites. The density of each obtained composite was determined as well as the surface roughness and the resistivity at room temperature.Moreover the surface studies on an atomic forces microscope (AFM) and X-ray studies (phase composition analysis, crystallite sizes determination) were carried out on such composites. Measurements of the surface topography using the Tapping Mode method were performed, acquiring the data on the height and on the phase imaging. The change of intensity, of crystallite size and of half-value width of main reflections originating from carbon for composites have been determined using the X-ray analysis.Carbon nanotubes constituting the reinforcement for a polymer composite improve the mechanical properties and conductivity of the composite.Keywords: carbon nanotubes, AFM, surface topography, polymer composites, mechanical Nanorurki węglowe ze względu na wysokie właściwości mechaniczne, optyczne czy elektryczne znalazły zastosowanie jako faza wzmacniająca materiałów kompozytowych. W pracy przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych kompozytów polimerowych wzmacnianych nanorurkami węglowymi (CNT). Na kompozytach została przeprowadzona próba trójpunktowego zginania. Określono gęstość każdego z otrzymanych kompozytów, wyznaczono chropowatość powierzchni na profilometrze oraz rezystywność w temperaturze pokojowej.Dla każdego z kompozytów przeprowadzono również badania powierzchni na mikroskopie sił atomowych (AFM), badania rentgenograficzne (analiza składu fazowego, określenie wielkości krystalitów). Przeprowadzono pomiary topografii powierzchni metodą Tapping Mode zbierając dane z wysokości i obrazowania fazowego. Za pomocą analizy rentgenograficznej określono zmianę intensywności, wielkości krystalitów oraz szerokości połówkowej refleksów głównych pochodzących od węgla dla nanorurek różnie modyfikowanych.Nanorurki węglowe stanowiące zbrojenie dla kompozytów polimerowych poprawiają właściwości mechaniczne oraz przewodność kompozytu.

Specific Bending and Compressive Strenght of Poly(Vinyl Alcohol)-CNT Composites

“…The composites density is pretty low, which makes them light and strong. For the composite with 20% reinforcement content the density was 0.47 g/cm 3 , for the composite with 30% reinforcement content -0.42 g/cm 3 . Lower density have composite with 40% reinforcement content -0.31 g/cm 3 and composite with 50% reinforcement content is 0.23 g/cm 3 .…”

“…The produced composites have a low density (from 0.23 g/cm 3 to 0.47 g/cm 3 ), which makes them a very light material, capable of applying as a structural material. Pores in composites decreasing their strength properties.…”

“…As received CNTs were 1 to 25 μm long, 10 to 40 nm in diameter, with the bulk density of 0.03-0.06 g/cm 3 , purity >93% and the specific surface area of 150-250 m 2 /g. Polyvinyl alcohol (PVA) with a water acrylate dispersion was used as the matrix.…”

“…Ajayan et al [2] reported the first polymernanocomposites using CNTs as a filler. Carbon nanotubes feature a low density of ~2.1 g/cm 3 and a highly developed specific surface area [3,4]. They have a high tensile strength up to 500 GPa, the elastic modulus reaches 7-8 TPa and they are characterised by high resistance to high temperatures (>3000°C in vacuum) [5,6].…”

“…To maximize benefits of carbon nanotubes obtaining highstrength composites, CNTs should not form agglomerates, should be well dispersed in the matrix and should have high interactions with it [8,9].…”