Thermal, electrical, and mechanical properties of polyethylene–graphene nanocomposites obtained by in situ polymerization

Abstract

In this study, we investigated the thermal, dynamic mechanical, mechanical, and electrical properties of polyethylene (PE)graphene nanosheet (GNS) nanocomposites, with GNS amounts from 0 to 20 wt %, prepared by in situ polymerization. The thermal stability was evaluated by thermogravimetric analysis (TGA) and showed that the addition of GNSs to the polyolefin matrix increased the onset degradation temperature by 30 C. The electrical conductivity, measured by the impedance technique, presented a critical percolation threshold of 3.8 vol % (8.4 wt %) of GNS. A slight decrease in the tensile strength was found. On the other hand, dynamic mechanical analysis showed an increase in the storage modulus of the nanocomposites compared with that of neat PE. The glass-transition temperature value increased from À111 C (neat PE) to À106 C (PE/6.6 wt % GNS). All of these results show that PE became stiffer and thermally more stable and could be transformed from an insulator to a semiconductor material in the presence of GNSs.

Effect of Carbon Fillers in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Matrix Prepared by Twin-Screw Extrusion

“…Three peaks related to γ, β, and α-relaxations were reported in the literature for polyethylene [24] [25] [26]. The γ-relaxation peak between −150˚C and −100˚C (Tγ) has been assigned in previous studies to the local chain motion in the amorphous region [27]. It is described in the literature that the γ-relaxation is considered as the glass transition temperature for unbranched polyethylene [28].…”

Comparação entre Nanocompósitos de Polietileno/Nanotubos de Carbono e Polietileno/Nanolâminas de Grafeno Obtidos por Polimerização In Situ

“…A adição de monômero olefínico leva à síntese de cadeias poliméricas exclusivamente localizadas nos arredores da superfície do NTC que, com o aumento de massas moleculares, precipita-se sobre os nanotubos, cobrindo-os e levando a uma eficiente desaglomeração [1,17,22] . Nos últimos anos nosso grupo de pesquisa vem trabalhando na obtenção de nanolâminas de grafeno (NG) (empilhamento de poucos grafenos) através de esfoliação química e térmica da grafite e na preparação de nanocompósitos de polietileno (PE) [25,26] e de polipropileno (PP) [27][28][29] utilizando a técnica de polimerização in situ. Nosso primeiro trabalho nesta área [25] , foi citado em uma recente revisão [30] como sendo o primeiro utilizando esta técnica para obter nanocompósitos de PE/NG.…”

“…Os resultados referentes aos nanocompósitos PE/ NG foram apresentados em outros artigos [25,26] . Portanto, para que não haja repetição dos resultados e sim uma correlação entre as propriedades dos nanocompósitos com as duas nanocargas utilizadas (nanotubos de carbono e nanolâminas de grafeno), os resultados com NG serão apresentados juntamente com os de NTC.…”

“…Isso significa que os NTC estão melhores distribuídos na rede polimérica para formar um caminho condutor e com 5,0% de NTC já é possível obter polietileno semi-condutor. Em relação às NG só foi possível obter polietileno semicondutor com 8,3% (p/p) de nanocarga [26] .…”

“…Em relação às propriedades elétricas os NTC se mostraram mais eficientes do que as NG, com 5,0% (p/p) de NTC já se consegue obter polímero semicondutor, ao passo que com as NG é necessário 8,3% (p/p) [26] . Podemos concluir que as diferenças observadas entre os dois tipos de nanocompósitos podem atribuídas às suas diferenças morfológicas e não a uma diferença na dispersão das mesmas, pois o estudo das propriedades mostrou que as duas apresentam uma boa dispersão.…”