Abstrakt

Biopolymer-Kongress 2018: Elektroreaktives Material auf Basis von plastifizierter Polymilchsäure und Graphen-Nanoplättchen als Füllstoffe – Natlita Thummarungsan – Chulalongkorn-Universität

Natlita Thummarungsan    

 Polymilchsäure (PLA) ist ein attraktiver Kandidat für den Ersatz petrochemischer Polymere, da sie biologisch abbaubar ist und aus erneuerbaren Ressourcen gewonnen werden kann. Die Hauptprobleme von PLA waren seine Zerbrechlichkeit und Zähigkeit, die viele kommerzielle Anwendungen einschränken. Die Verwendung eines Weichmachers ist eine Möglichkeit, die Flexibilität und Duktilität der PLA-Matrix zu verbessern. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die Kombination von PLA mit Nanopartikeln, wie etwa kohlenstoffbasierten Nanopartikeln, die Eigenschaften von PLA verbessert. In dieser Arbeit wurden Polymilchsäure (PLA)-Filme hergestellt, die mit Graphen-Nanoplatten als Füllstoffe und Dibutylphthalat (DBP) als Weichmacher durch das Lösungsmittelformungsverfahren versehen wurden. Alle Verbindungen besaßen während Zeitreaktionsexperimenten unter dem angelegten elektrischen Feld eine gute elektromechanische Rückgewinnungskapazität. Die 0,1 % v/v MG/PLA/DBP-Verbindung zeigte die höchste Speichermodul-Empfindlichkeit gegenüber einem elektrischen Feldwiderstand von 1,5 kV/mm. Bei einer Graphenkonzentration von 1,0 % v/v wurde die Reaktion des Speichermoduls (ΔGêÂ?ÂŒ) negativ definiert, wobei der Speichermodul unter dem elektrischen Feld (G') geringer war als der Wert von GêÂ?ÂŒ0. Ein negatives ΔGêÂ?ÂŒ unter einem elektrischen Feld bei Raumtemperatur war zuvor für kein elektrostatisches Material berichtet worden. Darüber hinaus zeigte das ursprüngliche PLA/DBP die größte Auslenkungsdistanz in Bezug auf Verbundwerkstoffe mit einem elektrischen Widerstand von 550 V/mm; die Auslenkungsdistanz der Verbindungen verringerte sich mit der Graphenkonzentration. Der nächste große Durchbruch bei EAP fand in den späten 1960er Jahren statt. 1969 zeigte Kawai, dass Polyvinylidenfluorid (PVDF) einen starken piezoelektrischen Effekt zeigt. Dies weckte Forschungsinteresse an der Entwicklung anderer Polymersysteme, die einen ähnlichen Effekt zeigen würden. 1977 entdeckten Hideki Shirakawa et al. die ersten elektrisch leitfähigen Polymere. Shirakawa wies zusammen mit Alan MacDiarmid und Alan Heeger nach, dass Polyacetylen ein elektrischer Leiter ist und dass man durch Dotierung mit Joddampf seine Leitfähigkeit um 8 Größenordnungen verbessern konnte. Damit kam die Leitfähigkeit der eines Metalls nahe. In den späten 1980er Jahren zeigte sich, dass andere Polymere einen piezoelektrischen Effekt zeigten oder leitfähig waren. Ionische Polymer-Metall-Verbindungen bestehen aus einer dünnen ionomeren Membran mit Edelmetallelektroden auf der Oberfläche. Sie enthält außerdem Kationen, um die Ladung der an das Polymerrückgrat gebundenen Anionen auszugleichen. Diese Polymerarten sind für biomimetische Anwendungen am vielversprechendsten, da Kollagenfasern im Wesentlichen aus natürlich geladenen ionischen Polymeren bestehen. Nafion und Flemion sind häufig verwendete ionische Polymer-Metall-Verbindungen. In dieser Arbeit wurden PANI-Nanopartikel nach dem Verfahren von Kim et al.12,13 unter Verwendung von Anilinmonomer, Ammoniumpersulfat und SDS synthetisiert. Die Reaktion wurde in einem Erlenmeyerkolben durchgeführt, der mit einem mechanischen Rührer verbunden war. Die 0,1 MHCl-Lösung wurde aus 10 MHCl (Grad AR) hergestellt. Nach 30 Minuten 5.5 g Theanilinmonomer in Ökotismus-Mischlösung wurden hinzugefügt. 0,98 g Ammoniumpersulfat wurden mit 10 ml 0,1 MHC-Lösung gelöst und tropfenweise mit einer Geschwindigkeit von 1 ml/min in die zuvor erhaltene Mischlösung gegeben. Die Reaktion wurde 12 h bei 20 ± 1 °C unter mechanischem Rühren bei 500 U/min durchgeführt. Nach 12 h wurde der Mischung eine überschüssige Menge Methanol hinzugefügt, um die PAN-Nanopartikel auszufällen, die SDS-Mizellen aufzubrechen und die Reaktion zu stoppen.12 Das ausgefällte Pulver wurde auf einem Glasfilter gesammelt und zweimal mit Methanol, Aceton und reinem Wasser gewaschen, bis die Waschlösung farblos wurde.12,13 Die PANI-Partikel wurden dann 48 h lang bei 60 °C in einem Vakuumofen getrocknet.12 Die chemischen Strukturen von PANI sind in Schema 1 dargestellt. Große PANI-Partikel wurden nach den Verfahren von Hiamtup et al. 7 und Cao et al. synthetisiert. 19 unter Verwendung von Anilin als Monomer und Ammoniumsulfat als Initiator. 0,98 g Ammoniumpersulfat wurden in 10 ml 0,1 MHC-Lösung gelöst und 5,5 g Heanilinmonomer wurden tropfenweise mit einer Geschwindigkeit von 1 ml/min in die Mischlösung gegeben. 100 ml 0,1 M HCl. Die Reaktion wurde bei 0 °C unter mechanischem Rühren durchgeführt. SCHEMA 1. Chemische Struktur von undotiert und mit HCl dotiertem PANI. 500 U/min für 12 h. Das PANI-Pulver wurde dann auf einem Glasfilter gesammelt und zweimal mit Methanol, Aceton und reinem Wasser gewaschen, bis die Waschlösung farblos wurde.7 Die PANI-Partikel wurden dann 48 h lang bei 60 °C im Vakuumofen getrocknet. 7 In dieser Arbeit blieben die spezifischen elektrischen Leitfähigkeiten der der Chloroprenmatrix hinzugefügten leitfähigen Partikel gleich. Große PANI-Partikel mussten mit NH4OH manipuliert und dann erneut mit HCl dotiert werden, um die elektrische Leitfähigkeit anzupassen. Große getrocknete PANI-Partikel wurden mit den Fingern bemalt, indem sie 4 Stunden lang bei Raumtemperatur in 100 ml 0,1 M NH4OH suspendiert wurden. 7 Nach 4 Stunden wurden die verworfenen Pulver mithilfe eines Trichters gefiltert und 24 Stunden lang bei 27 °C im leeren Behälter getrocknet. 7. CHARAKTERISIERUNG UND TESTEN Die großen PANI-Partikel und die mit PANI dotierten Nano-/Großpartikel wurden mit einem FT-IR-Spektrometer und einem UV-vis-Spektrometer charakterisiert, um ihre funktionellen Gruppen zu identifizieren. Das FT-IR-Spektrometer (Thermo Nicolet, Nexus 670; Thermo Scienti ﬠc, USA) wurde im Absorptionsmodus mit 32 Scans und einer Auflösung von ± 4 cm −1 betrieben und deckte einen Wellenzahlenbereich zwischen 400 und 4000 cm - 1 ab, wobei ein deuterierter Triglycinsulfat-Detektor verwendet wurde. Im Hintergrundmaterial wurde KBr in optischer Qualität (Carlo Erba-Reagenz) verwendet. Das PANI-Pulver wurde in einem Verhältnis von PANI:KBr = 1:20 gründlich mit trockenem KBr vermischt. UV-vis-Spektren von Nano-/großen PANI-Partikeln wurden mit einem UV-vis-Absorptionsspektrometer (Perkin-Elmer Lambda 10; Perkin-Elmer, Waltham, MA) aufgezeichnet. Die Messungen wurden im Absorptionsmodus im Wellenlängenbereich von 200 bis 700 nm durchgeführt. Die synthetisierten PANI-Partikel wurden zu einem feinen Pulver gemahlen und in 1-Methyl-2-Pyoridon gelöst.Die Übertragungsgeschwindigkeit betrug 50 mm/min, wobei eine Deuteriumlampe als Lichtquelle verwendet wurde. Die spezifische Dichte (ρp) der Nano- und großen PANI-Partikel wurde mit einem 25-ml-Glaspyknometer (Labor- und Messgeräte GmbH Stützerbach, Jena, Deutschland) gemessen. Die spezifische Dichte (ρp) von Chloropren W, die im technischen Produktinformationsblatt von Dupont Co. Ltd. angegeben ist, beträgt 1,23 g/cm³. PANI-Morphologien und -Mischungen wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM; Hitachi, S-4800) beobachtet. Rasterelektronenmikroskopaufnahmen wurden mit einer Beschleunigungsspannung von 5-10 kV bei verschiedenen Vergrößerungen zwischen 40.000 × und 100.000 × aufgenommen. Die Proben wurden mithilfe von Kohlenstoffklebepapier auf Stücke gestapelt und mithilfe einer Ionenbeschichtungsmaschine (Hitachi, E-1010; Hitachi High-Technologies Corporation, Tokio, Japan) bei 90 s platinbeschichtet, um die elektronische Leitfähigkeit zu verbessern. Fotos mit 100.000-facher Vergrößerung wurden aufgenommen, um die Partikelgröße von PANI-Nanopartikeln in W: PANI-Nanomischungen mithilfe der Scion Image-Software (Version 4.0.3) zu messen. Die Partikelgrößen der großen dotierten PANI-Partikel wurden mithilfe eines Partikelgrößenanalysators (Malvern Instruments, Masterizer X Version 2.15; MalvernInstruments Ltd., Malvern, Großbritannien) bestimmt.