Experimental benchmarks for mechanical properties of highly-loaded carbon nanotube- reinforced polyether ether ketone

Abstract

Composites of carbon nanotubes (CNTs) and polymers have been proposed for several engineering applications, this due to the elevated mechanical, thermal and electrical properties of the nanotubes. However, effective manufacture of these compounds has not yet been achieved because the nanotubes tend to agglomerate, do not disperse homogeneously in the polymer matrix and low percentage of nanotubes can be used in the mixture. For polyether-ether-ketone (PEEK) and CNTs composites, evidences show that PEEK seems to coat along nanotubes under certain heat treatments. Based on this premise, this work proposes a new methodology for the manufacture centimeter scale PEEK/CNT composites with high load of CNTs through thermal treatment under controlled pressure. Mechanical properties were determined from strain-stress curves and structural homogeneity and porosity was determined nanoscopically using high-resolution electron microscopes. A correlation between the mechanical properties and the degree of porosity of the fabricated material was obtained. Samples with record structural reinforcement of 115% in the Young modulus of PEEK/CNTs composites were reproducibly fabricated and characterized.

Compuestos de nanotubos de carbono (CNTs, por sus siglas en inglés) y polímeros han sido implementados para varias aplicaciones de ingeniería, esto debido a las superiores propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas de los nanotubos. Sin embargo, aún no se ha logrado la fabricación efectiva de estos compuestos porque los nanotubos tienden a aglomerarse, no se dispersan homogéneamente en la matriz polimérica y suelen usarse a bajos porcentajes en la mezcla. Para compuestos de poli éter-éter-cetona (PEEK, por sus siglas en inglés) y CNTs, previamente se ha determinado que hay dispersión de los nanotubos bajo ciertas condiciones de tratamiento térmico. Partiendo de esta premisa, esta investigación propone una nueva metodología para la fabricación de compuestos PEEK con alta carga de CNTs a través del tratamiento térmico a presión controlada. Mecánicamente, las propiedades de los compuestos se determinaron a partir de curvas de esfuerzo-deformación y microscópicamente, la dispersión de los nanotubos y la porosidad se observaron a través de microscopía electrónica de alta resolución. Como resultado, se obtuvo una buena correlación entre las propiedades mecánicas y el grado de porosidad del material. Las muestras finales presentaron reproducibilidad e incrementos del 115% en el módulo Young para compuestos de PEEK/CNTs.