Rheological characterization of polymer-graphene nanocomposites

Abstract

Graphene is one of many nanofillers often incorporated in polymeric matrixes in order to produce polymer nanocomposites. In the time being, melt compunding (e.g., via extrusion) is accepted as the most promising method to produce such materials at a large-scale production scenario. However, since correlations between processing conditions and nanocomposite morphology remains unclear, a general procedure for controlling the final characteristics of these materials to a specific application is still lacking. The main goal of this thesis is to understand how dispersion of polymer/graphene nanocomposites is affected by the processing conditions used on a twin screw extruder. Samples were collected along the axial length of the extruder in order to monitor the evolution of dispersion by means of Small-Amplitude oscillatory shear (SAOS) measurements and bright-field microscopy performed at the lab. Effects of graphene type, feed rate, screw speed, and the evolution of dispersion along the extruder were analyzed. Additionally, the off-line rheological measurements were compared with on-line measurements that were undertaken within the scope of a bigger project done in cooperation with BASF. It is concluded that both graphene types induce a shear thinning behavior over the entire range of frequencies considered and enhanced dispersion is achieved with smaller particle size graphene. Moreover, lower feed rates and lower screw speeds induce better dispersion levels. Furthermore, dispersion is partially improved along the extruder and discrepancies between on-line and off-line results were found.

O grafeno é um dos vários reforços à escala nanométrica que é incorporado em matrizes poliméricas de forma a produzir nanocompósitos. Atualmente, os processos de composição no fundido (p.e., através de extrusão) são aceites como os métodos mais promissores na preparação destes materiais, no cenário de produção em larga escala. Contudo, uma vez que não são claras as correlações entre as condições de processamento e a morfologia dos nanocompositos, falta ainda estabelecer procedimentos para controlar as características finais destes materiais numa aplicação específica. O objetivo principal desta tese é compreender como a dispersão em nanocompósitos de polímero com grafeno são afetadas pelas condições de processamento usadas numa extrusora de duplo-fuso. Foram recolhidas amostras ao longo do comprimento axial da extrusora, de forma a monitorizar a evolução da dispersão através de medições feitas no laboratório de reologia oscilatória (SAOS) e microscopia de campo claro. Foram analizados o efeito do tipo de grafeno na composição, o débito, velocidade dos fusos, e a evolução da dispersão ao longo da extrusora. Para além disso, as medições off-line foram comparadas com medições online realizadas no âmbito de um projeto colaborativo com a BASF. Foi concluído que ambos os tipos de grafeno induzem o comportamento pseudo-plástico ao longo de toda a gama de frequencias usadas e houve uma melhoria da dispersão com o grafeno possuindo um tamanho de partícula inferior. Além disso, a dispersão é parcialmente melhorada ao longo da extrusora and foram encontradas discrepâncias entre os resultados on-line e off-line.