Fabrication and characterization of chitin-carbon nanotubes composites

Abstract

Most polymers by themselves have limitations due to their poor mechanical, thermal and electrical properties compared with metallic and ceramic materials. Therefore, to expand their range of applications these properties must be enhanced. In particular, polymer matrix composites are attractive because of their low cost, high tensile strength, high stiffness, and good corrosion resistance. The present study focuses on the fabrication of low cost chitin films reinforced with multiwall carbon nanotubes (CNTs). An additional benefit of this composite is that more than 90% of its mass is biodegradable, which makes it desirable for environmental issues. This composite has potential usage as aerospace structural parts and components. To fabricate these composites, CNTs were dispersed and incorporated into the chitin solution. Different dispersion methods were tested, including ball milling, ultrasonic bath and an ultrasonic probe. The films were characterized with FTIR, optical microscopy, thermogravimetry, and thermomechanical analysis. Better dispersions were obtained via dispersion of the CNT with an ultrasonic bath. The results suggested that the reinforcement effect of the matrix only occurs at high temperature, i.e. 150ºC. At this temperature the polymer is in its rubbery state, which allowed the CNTs to enter in the free volume of the matrix space restraining the movement.

La mayoría de los polímeros por sí mismos tienen limitaciones debido a sus pobres propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas en comparación con los materiales metálicos y cerámicos. Por lo tanto, para ampliar la cantidad de aplicaciones de materiales poliméricos estas propiedades deben ser mejoradas. En particular compuestos de matriz polimérica son atractivos debido a su bajo costo, alta resistencia a la tracción, alta rigidez, y una buena resistencia a la corrosión. El presente estudio se centra en la fabricación de películas de quitina reforzadas con nanotubos multicapa de carbono. Este compuesto tiene potencial de aplicaciones estructurales y aeroespaciales. Un beneficio adicional de este compuesto es que más del 90% de este material es biodegradable, lo que hace deseable por su poco impacto ambiental. Para fabricar estos compuestos, los CNT se incorporan en la solución de quitina se dispersaron. Diferentes métodos de dispersión se probaron, incluyendo un molino de bolas, un baño ultrasónico y una sonda ultrasónica. Las películas se caracterizaron utilizando FTIR, microscopía óptica, termogravimetría, y el análisis termomecánico. Los resultados mostraron mejores dispersiones cuando el baño ultrasónico se utilizó como método de dispersión de los CNTs en la matrix. Los resultados sugirieron que el efecto de refuerzo de la matriz sólo se produce a alta temperatura, es decir, a 150ºC. A esta temperatura el polímero está en su estado gomoso que permitió a los nanotubos de carbono entrar en el espacio de volumen libre de la matrix restringiendo movimiento de las cadenas.