Nye udviklingsmuligheder med nye materialer nanokompositter. Anne-Lise Høg Lejre Centerchef, Teknologisk Institut PID 11.

Transkript

1 Nye udviklingsmuligheder med nye materialer nanokompositter Anne-Lise Høg Lejre Centerchef, Teknologisk Institut PID 11. juni 2009

2 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

3 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

4 Top ten advances in materials science over the last 50 years, udgivet i Materials Today januar 2008

5 Materialeudviklingens Top 10 n International Technology Roadmap for Semiconductors lagde grundstenen til mikroelektronik industrien n Udviklingen af avancerede mikroskoper muligt at se på nanoskala niveau n Giant magnetoresistance (GMR) vandt nobel prisen i 2007 har haft stor betydning for vores mulighed for at håndtere data n Lasere og LED anvendes i telekommunikation, CD og DVD afspillere, laser printere, stregkode aflæsere osv.

6 Materialeudviklingens Top 10 - fortsat n n n n n n National Nanotechnology Initiative Bill Clinton igangsatte initiativet i 2000 og det har haft en meget stor betydning for den videre materialeudvikling Kulfiber forstærket polymerer anvendes inden for stort set alle industrisegmenter transport, emballage, konstruktioner, vindmøller, biler Li ion batterier mobiltelefoner, bærbare PC Carbon nanotubes et af de hotteste områder inden for materialeudvikling Litografi mikroelektronik, datalagring Metamaterials

7 7

8

9

10 CO 2 reduktion og luftfart n Boeings 787 Dreamliner udleder 20% mindre CO 2 end konkurrerende flytyper n Dette gøres bl.a. ved at gøre flyet lettere. n 50% udgøres af kompositmaterialer, såsom glasfiber, kevlar, kulfiber og epoxy, mens kun 20% består af aluminium og resten af titan, stål og andre materialer n Samtidig er motorerne meget energieffektive n Af de næste reduktioner frem mod 2020 vil hovedparten af reduktionerne komme fra teknologiske forbedringer, mens 5-20% kan hentes ved at bruge bio-brændstof i jetmotorerne.

11

12 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

13 Nanokompositter n Nanokompositter har mindst en dimension i nanometer størrelse. Nanopartikler (Tre dimensioner i nano-skala) Nanofibre (To dimensioner i nano-skala) Nanoclays (En dimension i nano-skala) Halloysite Mineral nanotubes Nanoclay Mineral nanoplates Carbon Nanotubes Graphene nanotubes

14 Halloysite nanotubes L/D ~ 12

15

16

17 Nanoparticles Halloysite Mineral nanotubes Nanoclay Mineral nanoplates Carbon Nanotubes Graphene nanotubes

18 Carbon nanotubes (CNT) a armchair (n, m) = (5, 5) b zigzag (n, m) = (9, 0) c chiral (n, m) = (10, 5) MultiWall Carbon Nanotubes L/D > 1000 Source: P.J.F. Harris, International Materials Reviews 2004 VOL 49 NO 1

19 SWCNTs Vs MWCNTs (Cont.) SWCNT MWCNT CNT #2 UB-MWNT Bundle of Single wall CNTs CNT #1 B-MWNT

20

21

22 Nanoparticles Halloysite Mineral nanotubes Nanoclay Mineral nanoplates Carbon Nanotubes Graphene nanotubes

23 Nanoclay layered minerals Kaolinit L/D ~ 100 -?

24 Chemistry of the clay platelets Al 3+ Mg 2+ Negative surface charges Na + or Ca 2+ bound between the platelets Source: Dr. J Grossmann, Süd-Chemie AG

25 Nanoclay ændres fra hydrofil til hydrofob via funktionalisering

26 Nanoclay vurdering af kemisk kompatibilitet Nanoclay: Hydrophobic nanoclay for nonpolar polymers Solvents: (decreasing polarity) Acetone Ethanol 2-propanol Tetrahydrofurane Chloroform Trichloroethylene n-hexadecane Sediment.heigth h/h 0

27 Nano komposit med ler - Fase separation, Mikro komposite - Intercalated, Nano komposite - Exfoliated, Nano komposite

28 Multiskala produktoptimering Produkt Komponent Nanopartikel Nanoskala niveau Mikroskala niveau Mekaniske og fysiske genskaber Atomart niveau

29 Strukturelle egenskaber - muligheder n Egenskabsforbedringer Styrke Stivhed Vægtreduktion Vibrationsdæmpning Forbedret slidstyrke Reduceret friktion Reduceret revnedannelse (Crack-bridging)

30 Strukturelle egenskaber - produkter n Andet sportsudstyr forbedring af CF-produkter Tennis Ski Hockeystave Baseball bats Babolat tennisketcher n Flyindustri (Giles/Unidym) Styrkeegenskaber i flyskrog ved motor Vibrationsdæmpning Giles G-200 (flyakrobatik)

31 Strukturelle egenskaber - produkter

32 Her bruges nano-kompositter Fremstillet af termoplastiske olefiner indeholdende nano-ler. Trinbrættet er til General Motors Safari van Bagagerum til Hummer

33 Elektrisk Ledningsevne - produkter Eksempler på prototypeprodukter med transparente elektroder i CNT/polymerkomposit E-Paper i farver (Samsung) Fleksibelt farvedisplay (Fujitsu) Fleksibelt batteri (UCLA) Foliebatteri (University of California (LA))

34 Elektrisk Ledningsevne - muligheder n Polymerelektronik n Trykte fleksible kredsløb og komponenter (sensorer) n Transperante ledende film & coatings (displays, solceller) n Elektronisk afskærmning - strålingsbeskyttelse n Radar absorption (RAS, stealth) n Lynbeskyttelse (Vindmøller, fly) n Korrosionsbeskyttelse (galvanisk) Termisk ledningsevne - muligheder n Forbedret varmetransmission (Heat pipe) n Ikke isolerende korrosionsbeskyttelse n Polymere varmevekslere n Varmeledende coatings

35 Barriereegenskaber - muligheder n Reduceret passage af gasser (polyolifiner/nanoclay) n Transparente barrierefilm n Korrosionsbeskyttelse Brandhæmmende egenskaber - muligheder n Forøget temperaturbestandighed HDT - reduceret brandbarhed n Reduceret afsmeltning (anti-dryp) n Forkulning af overfladelag pga. nanopartikler

36 Diffusionsegenskaber 5000 Oxygen Permeability 4000 Oxygen Permeability x10 17 mol/m 2 s Pa Degree of filling Kilde: D.J. Chaiko Chem. Mater. 2005, 17, 13-19

37 Resultater Termisk Stabilitet

38 Brandhæmmende Kilde: Süd Chemie

39

40

41 Funktionalisering forbedrer egenskaber Moniruzzaman, et al., Nano Letters 2007

42 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

43 Fælles initiativ mellem AAU, Institut for Produktion og Teknologisk Institut n Enighed om at området var interessant og perspektivrigt n Igangsatte de første aktiviteter i 2006 n Vedholdende indsats indtil gennembrud i 2008

44 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

45 Research Partners: AAU (coordinator) Chemical Research Institute University of Hamburg DTU University of Genova Centre de Mise en Forme des Matériaux Commercial partners: Centro Ricerche Fiat Laviosa Chimica Mineraria FPK S.A Aviospace

46 Budget: 5 millioner Euro

47

48 Komponenter til bil og flyindustrien samt space applikationer

49 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

50 Extreme materials for extreme environments Med nano-forstærkede materialer kan der opnås helt unikke egenskaber Nanoclays giver nye diffusionstætte plastrør Lette kompositdele til fly Nanoforstærkede materialer til fremtidens vindmølle vinger Lette og stærke komponenter til satellitter Unikke egenskaber samt vægtreduktion og deraf følgende CO 2 reduktion Stor industriel relevans (Danfoss, nkt cables, LM Glasfiber, Xperion, Terma, Uponor, Barsmark og SP Group)

51 Overordnet strategi for konsortiet Den overordnede strategi for forskningen i innovationskonsortiet er at opnå en dybere forståelse for de fænomener, der relaterer sig til nanopartikel-matrix grænsefladen, for derigennem at kunne udnytte nanokompositternes potentiale. Den centrale hypotese i projektet er: nen fundamental forståelse og kontrol af nanopartikel-polymer grænsefladen vil udløse en betydelig forbedring af nanokompositegenskaberne på flere niveauer Der arbejdes mod det fælles mål ved at opbygge grundlæggende viden om syntese og karakterisering af nye polymer nanokompositter, herunder: nforståelse af de ekstreme og komplekse mekaniske påvirkninger, som materialerne udsættes for, herunder en forståelse af materialernes respons nudvikling af hybrid- og multifase nanokompositter med en designet struktur og sammensætning på det atomare, nanoskopiske og mesoskopiske niveau nnye procesveje for at syntetisere disse materialer samt opskalere dette til industriel pilotproduktion nudvikling af teoretiske modeller til analyse af de viskoelastiske og viskoplastiske egenskaber af polymer nanokompositten. Målet er på den ene side at fremskaffe data, der kan anvendes ved numeriske analyser, og som kan indgå i konventionelle FEM beregningsprogrammer På denne baggrund arbejdes der med anvendelsesorienteret udvikling af: nmaterialeudvikling af hybrid- og multifase nanokompositter nprocesteknologier til fremstilling af både hærdeplastbaserede polymernanokompositter og termoplastbaserede polymer nanokompositter nfysisk kemisk karakterisering samt test af materialer og komponenter med hensyn til ydeevne og holdbarhed

52 Illustration af udviklingsstadier

53 Organisering i konsortiet

54 Agenda n Hvorfor nanokompositter n Nanokompositter, typiske egenskaber og applikationer n Hvordan kom vi i gang n Nanotough et europæiske large-scale FP7-projekt n Extreme Materials et dansk innovationskonsortium n Foreløbige resultater og det videre arbejde

55 Funktionalisering af Multiwalled Carbon Nanotubes, MWCN og nanoclays Anders E. Daugaard, Katja Jankova, Søren Hvilsted

56 Surface grafting på nanoclay Grafting fra: Fordele: Potentielle vanskeligheder: - Let adgang til overflader - Svært af karakterisere - Høj grafting densitet Overfladen anvendes som macro initiator fx. SI-ATRP: M tx /Ligand M tx /Ligand M t x /Ligand X-M t x+1 /Ligand X-M t x+1 /Ligand X-M t x+1 /Ligand X X X OH OH OH O O O SI-ATRP k act M M M O O O Anchoring of initiator k deact

57

58 Metoder Graft from method Polymerization Monomer Graft to method Covalent linkage Adsorption of polymer or surfactant for compatibilization 58

59 Grafing from Overflade funktionalisering af CNT - ATRP-initiator og SI-ATRP + styren C, 2-6.5h Liu, Y-L.; Chen, W-H. Macromolecules 40, (2007) 59

60 TGA overlay of MWCNT-BEB-Br and samples grafted with PS 22.1 wt.-% PS, ATRP 2.0h 60.0 wt.-% PS, ATRP 6.5h Loading achieved wt.-% PS 60

61 SI-ATRP of St onto CNT using UV-Initiator 1) Immersion in BPBriBu 2) UV irradiation Br Br Br CuBr/Bipy Monomer Solvent CNT O BPBriBu O O C CH 3 C Br CH 3 Huang, J.Y.; Murata, H.; Koepsel, R.R.; Russell, A.J.; Matyjaszewski, K. Biomacromolecules 8, (2007) 61

62 TGA overlay of BP-iBuBr and 2 samples of MWCNT grafted with PS Different UV irradiation times; 2h ATRP Loading achieved wt.-% PS 3 min UV, 16.5 wt.-% PS 60 min UV, 20.2 wt.-% PS 62

63 Metoder Graft from method Polymerization Monomer Graft to method Covalent linkage Adsorption of polymer or surfactant for compatibilization 63

64 Nitrene chemistry n Br NaN 3 DMF n N 3 CNT 130 C n N CNT CNT Enables reaction of a number of different functional polymers onto the CNT. Azides of polymers are easy to prepare from ATRP polymers or in 2steps from OH: OH SOCl 2 Pyridin or Et 3 N Toluene Cl TMSN 3 TBAF THF N 3 64

65 Nitrene Results Polymer wt% to CNT o C Mn=8K 5% PS-N 3 3.2% 10% PS-N 3 5.6% 20% PS-N 3 7.1% 40% PS-N 3 8.1% 80% PS-N % 65

66 Metode Graft from method Polymerization Monomer Graft to method Covalent linkage Adsorption of polymer or surfactant for compatibilization 66

67 Fysisk adsorption af polymers n Simpelt at udføre n IKKE kovalent bundet ved derfor ikke om de mekaniske egenskaber er tilstrækkeligt gode n Metoden kan anvendes ved overfladeaktive stoffer og ved kompatibilisers n Det er måske muligt at anvende kommercielle polymerer som kompatilibisers 67

68 Adsorptions resultater Polymer wt% to CNT React. Temp o C 10% PS-Br, 8K 130 o C 5.3% 10% PS (AIBN, 11K) 130 o C 6.3% 10% PS (anionic, 44K) 10% PS (BASF, app. 100K), DMF 10% PS (BASF, app. 100K), Xylene 130 o C 5.7% 130 o C 8.5% 130 o C 5.7% 68

69 Status konklusion på funktionalisering n Kovalent binding: 14 g PS-CNT ud fra ATRP med UV initiator (4.4w% PS på CNT) 16 g PS-CNT ud fra ATRP med BEB initiator (10.7w% PS på CNT) n Adsorberede polymer prøver: 17 g PS/CNT baseret på fri radikal polymerisation af PS (7.3w% PS på CNT) n Pt. afventer de mekaniske test 69

70 Experimental investigation and constitutive modeling of the mechanical response of polymers and nanocomposites Aleksey D. Drozdov. DSc., PhD. Danish Technological Institute, Plastics Technology Telefon: DSc in Physics and Mathematics, Academy of Sciences, Moscow, USSR PhD in Physics and Mathematics, Moscow University, Moscow, USSR MSc in Mechanical Engineering, Moscow University, Moscow, USSR

71 Semicrystalline polymers n Applications: polymer and nanocomposite parts for automotive industry. n Objective: analysis of the mechanical response, fracture toughness, and creep rupture.

72 Semicrystalline polymers Publications: n n n n n n n A.D. Drozdov, J. dec. Christiansen. Cyclic elastoplasticity of solid polymers. Comput. Mater. Sci. 42(1), (2008). A.D. Drozdov, J. dec. Christiansen. Thermo-viscoelastic and viscoplastic behavior of high-density polyethylene. Int. J. Solids Struct. 45(14-15), (2008). A.D. Drozdov, S. Clyens, J. Christiansen. Essential work of fracture and viscoplastic response of a carbon black-filled thermoplastic elastomer. Eng. Fracture Mech., in press (2009). A.D. Drozdov. Mullins' effect in semicrystalline polymers. Int. J. Solids Struct., in press (2009). A.D. Drozdov, J. dec. Christiansen. Creep failure of polypropylene: experiments and constitutive modeling. Int. J. Fracture, submitted (2009). A.D. Drozdov. Creep rupture and viscoelastoplasticity of polypropylene. Eng. Fracture Mech., submitted (2009). A.D. Drozdov, J. dec. Christiansen. Mullins' effect in semicrystalline polymers: experiments and modeling. Meccanica, submitted (2009).

73 Nanocomposite melts n Applications: design and optimization of conventional processes for preparation of nanocomposites. n Objective: experimental analysis and constitutive modeling in rheology of nanocomposites.

74 Preparation of nanocomposites Two-step process: 1. Extrusion of a masterbatch (Bernstorff twin-screw extruder). 2. Molding of dumbbell samples (injection-molding machine Arburg 320C).

75 Preparation of nanocomposites n 3 recipes for preparation of masterbatches with concentration of nanoclay 20 wt.%.: 1. Clay/compatibilizer proportion 1: kg of nanoclay Dellite 67G 1.2 kg of maleatic PP Epolene G kg of PP Moplen HP400R. 2. Clay/compatibilizer proportion 1: kg of nanoclay Dellite 67G 0.3 kg of maleatic PP Epolene G kg of PP Moplen HP400R. 3. Clay/compatibilizer proportion 1: kg of nanoclay Dellite 67G 1.6 kg of maleatic PP Epolene G3015

76

77 Nanocomposite melts Publications: n n n n n A.D. Drozdov, E.A. Jensen, J. dec. Christiansen. Viscoelasticity of polyethylene/montmorillonite nanocomposite melts. Comput. Mater. Sci. 43(4), (2008). A.D. Drozdov, E.A. Jensen, J. dec. Christiansen. Pseudo-solid-like behavior of nanocomposite melts. Int. J. Nanotech. Appl. 2(1), 1-14 (2008). A.D. Drozdov, E.A. Jensen, J. dec. Christiansen. Thermo-viscoelasticity of polymer melts: experiments and modeling. Acta Mech. 197(3-4), (2008). A.D. Drozdov, E.A. Jensen, J. dec. Christiansen. Thermo-viscoelastic response of nanocomposite melts. Int. J. Engng. Sci. 46(2), (2008). A.D. Drozdov, E.A. Jensen, J. dec. Christiansen. Nonlinear viscoelastic response of thermoplastic-elastomer melts. Adv. Appl. Math. Mech., submitted (2009).

78 High density polyethylene (Eraclene MM 95)- Montmorillonite nanocomposite: cyclic loading with a stress-controlled program

79 Work in progress n n n n Analysis of the effect of filler on fracture toughness and creep failure in polypropylene/clay nanocomposites at various temperatures. Preparation and experimental investigation of mechanical properties of ternary nanocomposites with two types of filler (clay platelets and carbon nanotubes). Preparation and experimental study of hybrid nanocomposites with polymer blends (PP-LDPE and PP-SEBS) as matrices. Experimental analysis (CT tests) and numerical simulation of crack propagation in nanocomposites.