1. nanotechnology and nanocomposites

43
CHEG589: Polymer Nanocomposites Chapter 1: Nanotechnology  and Nanocomposites Dr . Vikas Mittal,  Summer 2015

Upload: akhil-abraham

Post on 05-Jul-2018

218 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 1/43

CHEG589: Polymer Nanocomposites

Chapter 1: Nanotechnology and Nanocomposites

Dr. Vikas Mittal, Summer 2015

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 2/43

The Beginning•   In 1959, Physics Nobel Laureate Richard Feynman suggested: What I want 

to talk about is the problem of  manipulating and controlling things on a 

small scale ... What are the limitations as to how small a thing has to be 

before you can no longer mold it? 

•   The term nanotechnology  was first used in 1974 by Norio Taniguchi to 

refer to the precise and accurate tolerances required for machining and 

finishing materials. 

•   In 1981, K. E. Drexler described a new "bottom‐up" approach, instead of  

the top‐down approach discussed earlier by Feynman and Taniguchi. The 

bottom‐up approach involved molecular manipulation and molecular 

engineering to build molecular machines and molecular devices with 

atomic precision. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 3/43

What is Nanotechnology?•   The term nano derives from the Greek word for dwarf. It is used as a prefix 

for any unit such as a second or a meter, and it means a billionth of  that unit. 

Hence, a nanometer (nm) is a billionth of  a meter, or 10‐9 meters. 

•   Nanotechnology means any technology on a nanoscale that has applications 

in the real world. Nanotechnology encompasses the production and application of  physical, chemical, and biological systems at scales ranging 

from individual atoms or molecules to submicron dimensions, as well as the 

integration of  the resulting nanostructures into larger systems.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 4/43

What is Nanotechnology?

•   Despite the wide use of  the word nanotechnology, 

the term has been misleading in many instances. This is because some of  the technology 

deals with systems on the micrometer range and not on the nanometer 

range (1‐100 nm).

•   Nanomaterials are also not undiscovered materials. It is important to keep 

in mind that some past technology such as, for example, nanoparticles of  

carbon used to reinforce tires as well as nature's photosynthesis are 

already a form of  nanotechnology. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 5/43

Approaches to Nanotechnologies

•   top‐down approach: An operator first designs and controls a macroscale

entity to produce an exact copy of  itself, but smaller in size. Subsequently, this downscaled entity, will make a replica of  itself, but also a few times smaller in size. This process of  reducing the scale continues until a nanosize entity is produced and is capable of  manipulating nanostructures. 

•   One of  the emerging fields based on this top‐down approach is the field of  nano‐and micro‐electromechanical systems (NEMS and MEMS, respectively). MEMS research has already produced various micro 

mechanical devices, smaller than 1 mm2, which are able to incorporate 

microsensors, cantilevers, microvalves, and micropumps. 

•   An interesting example is the microcar fabricated by Nippondenso Co. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 6/43

Approaches to Nanotechnologies

•   The top‐down approach is not a friendly, inexpensive, and rapid way of  producing nanostructures. Therefore, a bottom‐up approach needs to be 

considered.

•   The concept of  the bottom‐up approach is that one starts with atoms or 

molecules, which build up to form larger structures. 

•   In this context, there are three important enabling bottom‐up 

technologies, namely (1) supramolecular and molecular chemistry, (2) 

scanning probes, and (3) biotechnology. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 7/43

Length Scale

Length scales ranging 

from subatomic through

molecular, human, and 

terrestrial to astronomic

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 8/43

Why is Nano Scale Important?•   By creating nano‐scale structures, it is possible to control the 

fundamental properties of  materials, such as their melting 

temperature, magnetic properties, charge capacity, and even their 

color, without changing the materials’ chemical composition. 

•   Making use of  this potential leads to new, high‐performance 

products and technologies that were not possible before. 

•   Nanoscale structures such as nanoparticles and nanolayers have 

very high surface to volume ratios, making them ideal for use in 

polymeric materials.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 9/43

Nanotechnology in NatureAbalone

• Abalone builds the shell from traditional 

materials, namely calcium carbonate (CaCO3)and a protein, forming a layered 

nanocomposite that is strong and resilient

• Looking at the shell under an electron 

microscope at high magnifications, the shell 

looks like a brick wall, with calcium carbonate "bricks" separated by the protein 

"glue" 

• The formation of  the abalone shell starts with proteins, which self  assemble into 

"room walls" with a distribution of  negatively charged sites. Inside each "room" there is seawater filled with calcium and carbonate ions, which are attracted to 

the walls and eventually form crystals of  CaCO3

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 10/43

Nanotechnology in NatureSpider Web

• The combined strength and flexibility of  a spider web results from the 

arrangement of  nanocrystalline reinforcements embedded in a polymer matrix. 

• A closer look at the spider web microstructure reveals the existence of  strongly oriented nanocrystals, which adhere to the protein that composes their surrounding polymeric matrix. In other words, the spider web is a nanocomposite material composed of  relatively stiff  nanocrystals dispersed 

within a stretchy matrix

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 11/43

Nanotechnology in NatureRhinoceros Horn

• The horn is a composite made of  two types of  keratin. 

• One type is in the form of  tubules that are densely packed. These tubules, which range from 300 to 

500 μm, comprise around 40 layers of  cells.

• Surrounding these tubules is another type of  keratin that is continuous and acts as a matrix.

• Because the matrix and the tubules are the same material, the interfacial strength is very good, which 

leads to a rigid material that is very tough to break.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 12/43

Classes of  Materials•   Nanomaterials: The nanomaterial class of  materials is extremely broad 

because it can include all the previous classes of  materials, provided they 

are composed of  a structural component at the nanoscale or they exhibit 

one of  the dimensions at the nanoscale. 

•   Nanomaterials are typically categorized according to the number of  

dimensions that are not at the nanoscale

0‐D (nanoparticles), 

1‐D (nanowires, nanotubes, and nanorods), 

2‐D (nanofilms and nanocoatings), 

3‐D (bulk)

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 13/43

Classification of  Nanomaterials•   The most typical way of  classifying 

nanomaterials is to identify them 

according to their dimensions. 

•   Nanomaterials can be classified as (1) 

zero‐dimensional (0‐D), (2) one‐

dimensional (1‐D), (3) two‐

dimensional (2‐D), and (4) three‐

dimensional (3‐D). 

•   This classification is based on the 

number of  dimensions, which are not 

confined to the nanoscale range (<100 

nm). 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 14/43

Classification of  Nanomaterials0‐D

The most common representation of  zero‐dimensional 

nanomaterials are nanoparticles. These nanoparticles 

can: 

•   Be amorphous or crystalline 

•   Be single crystalline or polycrystalline 

•   Be composed of  single or multichemical elements 

•   Exhibit various shapes and forms •   Exist individually or incorporated in a matrix 

•   Be metallic, ceramic, or polymeric 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 15/43

Classification of  Nanomaterials1‐D

1‐D nanomaterials differ from 0‐D nanomaterials in that 

the former have one dimension that is outside the 

nanoscale. This difference in material dimensions leads to 

needle‐shaped nanomaterials. One‐dimensional 

nanomaterials include nanotubes, nanorods, and 

nanowires. 1‐D nanomaterials can be: 

•   Amorphous or crystalline

•   Single crystalline or polycrystalline 

•   Chemically pure or impure 

•   Standalone materials or embedded in within another 

medium 

•   Metallic, ceramic, or polymeric 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 16/43

Classification of  Nanomaterials2‐D

2‐D nanomaterials are materials in which two of  the 

dimensions are not confined to the nanoscale. As a result, 

2‐D nanomaterials exhibit platelike shapes. Two‐

dimensional materials can be: 

•   Amorphous or crystalline 

•   Made up of  various chemical compositions 

•   Used as a single layer or as multilayer structures 

•   Deposited on a substrate 

•   Integrated in a surrounding matrix material 

•   Metallic, ceramic, or polymeric 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 17/43

Classification of  Nanomaterials3‐D

These materials have three dimensions above 100 nm. 

Despite their bulk dimensions, these materials possess a 

nanocrystalline structure or involve the presence of  features 

at the nanoscale. With respect to the presence of  features at 

the nanoscale, 3‐D nanomaterials can contain dispersions of  

nanoparticles, bundles of  nanowires, and nanotubes as well as multinanolayers. Three‐dimensional nanomaterials can be: 

•   Amorphous or crystalline 

•   Chemically pure or impure 

•   Composite materials 

•   Composed of  multinanolayers

•   Metallic, ceramic, or polymeric 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 18/43

Classification of  Nanomaterials•   The 2‐D nanomaterial may be called a 

nanocrystalline film because of  two features: 

(1) the material exhibits an overall exterior 

thickness with nanoscale dimensions, and (2) 

its internal structure is also at the nanoscale. 

•   Though this example helps illustrate two 

possible ways of  categorizing of  2‐D 

nanomaterials, both these restrictions do not 

need to be in place for the material to be 

considered a nanomaterial. 

•   In fact, if  the exterior thickness remains at the nanoscale, it is possible for the same film to 

have a larger (above 100 nm) internal grain 

structure and still qualify the entire material 

as a nanoscale material. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 19/43

Classification of  Nanomaterials•   Generally, 2‐D nanomaterials, are deposited on 

a substrate or support with typical dimensions 

above the nanoscale. In these cases, the overall 

sample thickness dimensions become a 

summation of  the film's and substrate's 

thickness. When this occurs, the 2‐D 

nanomaterial can be considered a nanocoating.

•   When the substrate thickness does have 

nanoscale dimensions or when multiple layers, 

with thicknesses at the nanoscale are deposited sequentially, the 2‐D nanomaterial can be 

classified as a multilayer 2‐D nanomaterial. 

Within each layer, the internal structure can be 

at the nanoscale or above it. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 20/43

Classification of  Nanomaterials•   For 3‐D nanomaterials: from our previous 

definition, bulk nanomaterials are 

materials that do not have any dimension 

at the nanoscale. However, bulk 

nanomaterials still exhibit features at the 

nanoscale. Bulk nanomaterials with 

dimensions larger than the nanoscale can be composed of  crystallites or grains at the 

nano scale. These materials are then called 

nanocrystalline materials. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 21/43

Classification of  NanomaterialsAnother group of  3‐D nanomaterials are called nanocomposites. These 

materials are formed of  two or more materials with very distinctive 

properties that act synergistically to create properties that cannot be 

achieved by each single material alone. The matrix of  the nanocomposite, 

which can be polymeric, metallic, or ceramic, has dimensions larger than the 

nanoscale, whereas the reinforcing phase is commonly at the nanoscale. 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 22/43

Classification of  Nanomaterials

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 23/43

What is

 a Polymer?

•   A GIANT molecule

•   Made up of  units 

called monomers

•   If  a carbon atom was the size of  a tennis 

ball:

PE  = 30km

DNA = 70,000km

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 24/43

Uses of  Polymers

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 25/43

Petrochemical Value Chain based on Cracker 

Source: Linde

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 26/43

Definitions

•   Monomer ‐ simple molecular unit which when reacted 

together forms a polymer.

•   Oligomer ‐  low molecular weight compound with 

several repeat units  joined together. 

•   Polymer ‐  substance composed of  molecules with a 

large molecular weight formed from repeating units 

covalently bonded together.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 27/43

Types 

of  

Polymers

natural polymers

- cellulose

- proteins

- DNA

- natural rubber 

- shellac

- amber  

synthetic polymers

- polyethylene

- polypropylene

- poly(vinylchloride)

- synthetic rubber 

- polyamides- polyurethanes

- melamine resins

 

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 28/43

28

• The dimer of ethylene is a gas, but

oligomers with a DP of 3 or more are

liquids, with the liquid viscosity increasing

with the chain length.

• Polyethylenes with DPs of 

about 30 are grease like, and those with

DPs around 50 are waxes.

• As the DP value exceeds 400 or the

molecular weight exceeds about 10,000,

polyethylenes become hard resins with

softening points about 100°C. The increase

in softening point with chain length in thehigher-molecular-weight range is small.

Importance of DP

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 29/43

29

• Tensile strength properties

increase rapidly first as the chain length

increases and then level off

• The melt viscosity continues to increase

rapidly with molecular weight

• Polymers with very high molecular

weights have superior mechanicalproperties but are difficult to process and

fabricate due to their high melt viscosities.

• The range of molecular weights chosen

for commercial polymers represents acompromise between maximum properties

and processability.

Importance of Molecular Weight

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 30/43

Uniqueness of  Nanostructured Materials

•   What is unique to nanofillers compared to micrometer‐scale 

traditional fillers, and how do the composites compare to 

their macroscopic counterparts?

Small size of  filler particles (optical clarity)No stress concentration

Exceptionally large interfacial area

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 31/43

Uniqueness of  Nanostructured Materials

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 32/43

Uniqueness of  Nanostructured Materials

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 33/43

Nanocomposites•   Nanocomposites are a class of  materials in which one or more phases with 

nanoscale dimensions (0‐D, 1‐D, and 2‐D) are embedded in a metal, 

ceramic, or polymer matrix. 

•   The general idea behind the addition of  the nanoscale second phase is to 

create a synergy between the various constituents, such that novel 

properties capable of  meeting or exceeding design expectations can be 

achieved. 

•   The properties of  nanocomposites rely on a range of  variables, particularly 

the matrix material, loading, degree of  dispersion, size, shape, and 

orientation of  the nanoscale second phase and interactions between the 

matrix and the second phase.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 34/43

NanocompositesPolymer‐matrix nanocomposites

•   Polymer type: thermoset, thermoplastic, elastomer•   Reinforcement: nanoparticles (0‐D), nanotubes (1‐D) and nanoplates (2‐D)

Polymer‐matrix nanocomposites with 0‐D materials

•   Depending on the type of  nanoparticles added, the mechanical, electrical, 

optical, and thermal properties can be altered 

•   In the case of  mechanical properties, modulus and strength depend on the 

degree of  interaction between the particle and the polymer. For example, in poly(methyl methacrylate) (PMMA) nanocomposites reinforced with 

alumina, the modulus decreases due to the weak interaction, whereas in 

polystyrene nanocomposites reinforced with silica nanoparticles, the 

modulus increases due to a strong bonding.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 35/43

NanocompositesPolymer‐matrix nanocomposites with 1‐D materials

•   Carbon nanotubes (CNTs) are widely used as reinforcement.

•   Several critical factors need to be addressed: 

(1) uniform dispersion of  carbon nanotubes within the polymer matrix, 

(2) alignment of  CNTs in the nanocomposite,

(3) good interfacial bonding between the CNTs and the polymer matrix. 

•   With respect to the dispersion of  CNTs, they 

exhibit smooth surfaces and intrinsic Van der Waals 

interactions, which tend to promote clustering when

dispersed in a polymer matrix

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 36/43

NanocompositesPolymer‐matrix nanocomposites with 2‐D materials

•   Plate like layered materials (layered silicates) 

with a thickness on the order of  1 nm but with 

an aspect ratio of  25 or above. 

•   Significant improvements in different properties

•   For these layered silicates to be useful in 

nanocomposites, the layers must be separated 

and dispersed within the polymer matrix. 

However, these layers are highly hydrophilic, and 

thus individual layers do not easily disperse in 

relatively hydrophobic species, such as an 

organic polymer.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 37/43

Nanocomposites•   The resulting nanocomposites can exhibit 

various microstructures.

•   Intercalated nanocomposites, when the 

polymer diffuses into the clay layers, thereby 

expanding the distance between the clay layers, 

but the order (or periodicity) is still maintained

•   Exfoliated nanocomposites when individual 

delaminated silicate layers are dispersed in a 

polymer matrix, thus completely disturbing the 

order of  the clay layers.

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 38/43

Mechanical Properties

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 39/43

Mechanical Properties

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 40/43

Role of  Aspect Ratio on Properties

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 41/43

Other Properties

•   Apart from mechanical and permeation properties, other properties attributed to polymer nanocomposites are:

improved thermal resistance

improved flame resistance

improved moisture resistance

improved charge dissipation

improved chemical resistance

ff f l

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 42/43

Size Effects: Surface‐to‐Volume 

Ratio Versus Shape 

•   Properties of  large‐scale traditional materials are determined by the 

properties of  their bulk, due to the relatively small contribution of  a small 

surface area, however, for nanomaterials this surface‐to‐volume ratio is 

inverted.

•   a nanomaterial's shape is of  great interest because various shapes will produce 

distinct surface‐to‐volume ratios and 

therefore different properties. 

Sphere A/V = 3/r

Cylinder A/V = 2/r

Cube A/V = 6/L

Si Eff S f V l

8/16/2019 1. Nanotechnology and Nanocomposites

http://slidepdf.com/reader/full/1-nanotechnology-and-nanocomposites 43/43

Size Effects: Surface‐to‐Volume 

Ratio Versus Shape 

How much of  an increase in surface area will result from a spherical particle 

of  10 μm diameter to be reduced to a group of  particles with diameter of  10 

nanometer, assuming that the volume remains constant?