Polymerní nanomateriály

Prezentace na téma: "Polymerní nanomateriály"— Transkript prezentace:

1 Polymerní nanomateriály
1 1 1

2 Zač je toho uhlík pokračování - grafit - diamant
- fullereny, fullerity, fulleridy - uhlíkatá vlákna - nanotrubičky 2 2 2

3 Uhlíkatá vlákna Mechanické vlastnosti - dle stupně uspořádání
(s teplotou konečné přípravy roste uspořádanost, stoupá youngův modul pružnosti, tepelná i elektrická vodivost, klesá pevnost v tahu) Hlavní prekurzory pro výrobu: PAN dehet, smola, hedvábí 3 3 3

4 Youngův modul pružnosti
Uhlíkatá vlákna Youngův modul pružnosti (Hookeův zákon) napětí deformace 4 4 4

5 Uhlíkatá vlákna Základní dělení do 3 typů:
Typ I - HM vlákna (High Modulus) Vysoký stupeň orientace grafenových vrstev podél osy vláken Vlastnosti některých HM vláken: Typ II - HS vlákna (High Strenght) Spíše náhodná orientace vrstev Vlastnosti některých HS vláken: Typ III - IM vlákna (Intermediate) Přechodový typ Surovina Vlákno Výrobce E [Gpa] σ [GPa] ρ [g.cm-3] Smola P-100 Amoco 724 2,24 2,15 E-105 DuPont 3,31 2,17 PAN GY-70 BASF/Celion 517 1,86 1,96 Surovina Vlákno Výrobce E [Gpa] σ [GPa] ρ [g.cm-3] PAN AS-4 Herkules 231 3,64 1,80 T-40 Amoco 290 3,45 1,78 T-1000 až 7 1,75 Podle Z.Weiss et al. Nanostruktura uhlíkatých materiálů (2005) ISBN M. Shioya, M. Nakatani, Composites Science and Technology 60 (2000) 5 5 5

6 Uhlíkatá vlákna Výroba Výrobní postupy
melt spinning (vytlačování z taveniny) wet spinning (mokré zvlákňování) dry spinning (suché zvlákňování) Podle prekurzoru a cílových vlastností a struktury je zvolena metoda 6 6 6

7 Uhlíkatá vlákna Výroba PAN – wet spinning PAN – stabilizace 7 7 7
Z.Weiss et al. Nanostruktura uhlíkatých materiálů (2005) ISBN 7 7 7

8 Uhlíkatá vlákna Výroba 8 8 8 .
Z.Weiss et al. Nanostruktura uhlíkatých materiálů (2005) ISBN M. Shioya, M. Nakatani, Composites Science and Technology 60 (2000) 8 8 8

9 Uhlíkatá vlákna Výroba Smola, mezofáze – melt spinning 9 9 9 .
D.D.Edie, Carbon 39 (1998) Z.Weiss et al. Nanostruktura uhlíkatých materiálů (2005) ISBN 9 9 9

10 Nanotubulární uhlík Poprvé popsán v r (Iijima, Nature 354, p.56-58) - nalezen na povrchu uhlíkových elektrod po elektrickém výboji Trubička z uhlíkových atomů s průměrem v řádu nm. - SWNT (single wall nano tube) - MWNT (multiwall nano tube) . Z.Weiss et al. Nanostruktura uhlíkatých materiálů (2005) ISBN 10 10 10

11 Nanotubulární uhlík . 11 11 11

12 Nanotubulární uhlík Vysoká pevnost v tahu (SWNT cca 60GPa)
Předpokládané mechanismy růstu CNT . 12 12 12

13 Nanotubulární uhlík Syntéza Prekurzory v pevném nebo plynném stavu
Pevný prekurzor - obloukový výboj, laserová ablace, solární pec Plynný prekurzor - CVD (Chemical vapor deposition) - použití plazmatu, katalyzátorů a) pevný katalyzátor + plynný prekurzor b) plynný katalyzátor + plynný prekurzor Čištění Ohřev v oxidační atmosféře - hoření hlavně uhlíkatých částic - zbudou CNT Oxidace v silných kyselinách Rozpuštění v polární kapalině - centrifugace . 13 13 13

14 Plazmatické modifikace povrchů
- Interakce povrchu s plazmatem - Hydrofilizace, hydrofobizace, adheze - Způsoby realizace modifikace plazmatem . 14 14 14

15 Plazmatické modifikace povrchů
- čištění - leptání - sesíťování povrchu polymerů - tvorba radikálů na povrchu - vytváření nových funkčních skupin - iontová implantace - ohřev . 15 15 15

16 Plazmatické modifikace povrchů
Rozdělení energií elektronů v doutnavém výboji. Podle *) Energie vazeb podle *) Ei ionizační energie, Ea průměrná energie na vytvoření iont-elektronového páru. Podle **) **) H.Biederman, Y. Osada, Fundamentals in Plasma Chemistry (Chap.3) in: Plasma polymerization processes, Amsterdam – London – New York – Tokyo 1992, ISBN: *) 16 16 16

17 Plazmatické modifikace povrchů
Reakce na površích v kontaktu s plazmatem (uzemněné či „floating“ povrchy) Ionty: - ionizace, excitace, fragmentace adsorbovaných molekul. - tvorba povrchových defektů - čištění - při velkém toku iontů – ohřev substrátu – potřeba chlazení - ne odprašování (sputtering) – nedostatečná energie dopadajících částic Elektrony: - ionizace, excitace, fragmentace adsorbovaných molekul - elektrony stimulovaná desorpce/adsorpce - při velkém toku elektronů – ohřev substrátu . H.Biederman, Y. Osada, Fundamentals in Plasma Chemistry (Chap.3) in: Plasma polymerization processes, Amsterdam – London – New York – Tokyo 1992, ISBN: 17 17 17

18 Měření kontaktního úhlu
Modely: Kapková metoda Homogenní povrch Vlivy: - morfologie povrchu - chemie povrchu Wenzel Heterogenní povrch . Cassie-Baxter 18 18 18

19 Hydrofilní / hydrofobní skupiny
Více smáčivé -OH -COO- -Aln(OH)m -SiO2 -dusík obsahující skupiny -atd. (zpravidla polární) Méně smáčivé -CH3 -CH2-CH2- -CF3 -atd. 19 19 19 19

20 Hydrofilní, hydrofobní povrchy
OH COOH OH OH C=O OH C=O Hydrofilní CF3 CHF2 CH3 CF3 CF3 CF2 CF2 CF2 . Hydrofobní 20 20 20

21 Plazmatické modifikace povrchů
Doutnavý výboj Tubular reactor (glass or silica deposition system) Ar-argon, M - monomer, S1,S2, P - pumps Parallel plate electrode reactor PS - to power supply, C - cooling, W - window, P - to pumps, M - monomer, Sh - shutter, S - substrate Plasma tužka (plasma jet) Dielektrický bariérový výboj V.I.Gibalov, G.J.Pietsch, Plasma Sources Sci. Technol. 21 (2012), doi: / /21/2/024010 21 21 21 21

22 Plazmatické modifikace povrchů
Aplikace: - Automobilový průmysl Elektronika (mobilní telefony) Modifikace tkanin Samočistící povrchy Biokompatibilní povrchy Potravinářský průmysl (barvení) . H.Biederman, Y. Osada, Fundamentals in Plasma Chemistry (Chap.3) in: Plasma polymerization processes, Amsterdam – London – New York – Tokyo 1992, ISBN: 22 22 22 22