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Polymers in aligned carbon nanotube arrays

Khaneft, Marina :
Polymers in aligned carbon nanotube arrays.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Polymers in aligned carbon nanotube arrays
Language: English
Abstract:

In the present experimental study we investigate polymer behavior in aligned carbon nanotube (CNT) arrays. We analyze the polymer filling mechanism in composite materials containing highly ordered and vertically aligned carbon nanotubes. CNTs are obtained by a template assisted chemical vapor deposition (CVD) method. Porous aluminum oxide (PAOX) is used as template. PAOX is obtained by electrochemical anodization of aluminum substrates and contains arrays of hexagonally arranged pores. Different forms of the CNT arrays are studied: fully and partially closed tubes having one or two carbon layers on one or both sides of the array, and open tubes in a freestanding CNT arrays. Investigation is performed by Small Angle X-ray Scattering (SAXS) in combination with transmission and scanning electron microscopy (TEM and SEM) and atomic force microscopy (AFM). The tubes being used are of 40 mkm length and 40/90 nm diameter. Different polymers are infiltrated into CNT arrays - glassy polystyrene (PS), polymethylmethacrylate (PMMA) and semicrystalline polydimethylsiloxane (PDMS) of different molecular weight. Infiltration is performed in polymer solution and in melt. It was found that the original order of the template is only locally preserved in the CNT array. Imbibition of polymer melts is achieved in the interior of CNTs as well as in between tubes, modifying the local order in the array. We compare structural changes of different CNT arrays caused by polymer infiltration. The filling kinetics is followed with time-resolved SAXS in the whole array and in tube interior only. We find that the polymer flow into CNT arrays deviates from the Lucas-Washburn equation and can be described with compressed exponentials. During the imbibition of polymers into CNT arrays a depletion layer is formed in vicinity of the CNT surface.

To investigate the influence of the CNT surface on the polymer behavior we apply differential scanning calorimetry (DSC) and study polymers at the glass transition as well as melting and crystallization. We fill arrays with two different polymers - PS in tube interior and PDMS in interstices between tubes. The glass transition for inner and outer polymer is analyzed and compared. We also investigate the crystallization behavior of PDMS in bulk and in CNT arrays. Isothermal and nonisothermal crystallization kinetics are considered. Both experiments show the enhanced crystallization of the polymer in the presence of CNTs.

The dynamical aspects of the polymer behavior are further probed by Brillouin light spectroscopy (BLS). We observe Brillouin scattering of acoustic excitations in two porous systems: randomly distributed parallel pores in ion-track-etched polycarbonate (ITPC) and highly ordered parallel pores in the PAOX template. ITPC is produced by irradiating the polycabonate film with an ion beam and subsequent wet-chemical etching of the ion beam tracks. Both systems have a pore radius of R=20 nm and differ with respect to order and density of pores. In the experiment we follow the changes of BLS spectra depending on the angle between the template surface and the incident laser beam. BLS spectra of emtpy porous templates and templates filled with PDMS are compared. We observe two types of Brillouin modes: bulk modes of PDMS and the templates as well as surface modes.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In der vorliegenden experimentellen Studie untersuchen wir das Verhalten von Polymeren in Arrays ausgerichteter Kohlenstoffnanoröhrchen (carbon nanotubes, CNT). Der Füllmechanismus des Polymers in Verbundwerkstoffen mit hochgradig geordneten und senkrecht ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhrchen wird charakterisiert. Die CNT Arrays wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) in einer Matrize aus nanoporösem Aluminiumoxid (porous anodic aluminum oxide, PAOX) hergestellt. PAOX besteht aus hexagonal angeordneten Poren, die bei elektrochemischer anodischer Oxidation enstehen. Wir untersuchen CNT Arrays in verschiedenen Formen: entweder als freistehendes Array oder mit durchgehenden Kohlenstoffschichten auf einer oder beiden Seiten. Als experimentelle Methoden verwenden wir eine Kombination aus Röntgenkleinwinkelstreuung (small angle X-ray scattering, SAXS), Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie (transmission and scanning electron microscopy, TEM and SEM) sowie Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy, AFM). Die untersuchten CNTs besitzen eine Länge von 40 mkm und haben einen Durchmesser von 40 und 90 nm. Verschiedene Polymere - glasartiges Polystyrol (PS), Polymethylmethacrylat (PMMA) und teilkristallines Polydimethylsiloxan (PDMS) - in verschiedenen Molekulargewichten werden in die CNT Arrays infiltriert, wobei die Infiltration entweder in einer Lösung von Polymer oder in der Polymerschmelze durchgeführt wird. Es wird gezeigt, dass die ursprüngliche Ordnung der Poren der Matrize im resultierenden CNT Array nur lokal erhalten bleibt. Die Imbibition von Polymerschmelzen findet sowohl im Inneren der Kohlenstoffnanoröhrchen als auch in Zwischenräumen des Arrays statt, so dass die lokale Ordnung im Array beeinflusst wird. Wir vergleichen die durch die Infiltration von Polymer verursachten Strukturänderungen in den verschiedenen Arten von CNT Arrays. Die Kinetik des Füllprozesses wird mit zeitaufgelöster Röntgenkleinwinkelstreuung untersucht, sowohl für das gesamte Array als auch nur für das Innere der Kohlenstoffnanoröhrchen. Es stellt sich heraus, dass das Fließverhalten von Polymer in CNT Arrays von der Lucas-Washburn Gleichung abweicht und mit gestauchten Exponentialfunktionen beschrieben werden kann. Während der Imbibition des Polymers entsteht eine Verarmungszone in der unmittelbaren Umgebung der Oberfläche der CNT. Um den Einfluss der Oberfläche der CNTs auf das Polymerverhalten zu studieren wird mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (differential scanning calorimetry, DSC) der Glasübergang sowie der Schmelz- und Kristallisationprozess von Polymeren in CNT Arrays untersucht. Die Arrays werden dabei mit zwei verschiedenen Polymeren gefüllt - PS im Inneren der Röhrchen und PDMS in ihren Zwischenräumen. Der Glasübergang für das innere und das äußere Polymer kann so getrennt ausgewertet und verglichen werden. Weitherhin untersuchen wir das Kristallisationverhalten von PDMS im Bulk und in CNT Arrays, wobei isotherme und nicht isotherme Kristallisationskinetik betrachtet werden. In beiden Fallen zeigt sich eine verstarkte Kristallisation der Polymere in Gegenwart von Kohlenstoffnanoröhrchen. Die dynamischen Aspekte des Polymerverhaltens werden weiter mit Brillouin-Lichtstreuung (Brillouin light scattering, BLS) untersucht. Wir messen akustische Anregungen in zwei verschiedenen porösen Systemen: zufällig angeordnete, parallele Poren in ionenspurgeätztem Polycarbonat (ion track etched polycarbonate, ITPC) und hochgradig geordnete Poren in PAOX Matrizen. ITPC wird durch Bestrahlung einer Polycarbonatfolie mit Schwerionen und anschließendem Ätzen der Ionenspuren hergestellt. Beide Systeme besitzen einen Porenradius von R = 20 nm, unterscheiden sich aber in Anordnung und Dichte der Poren. Im Experiment untersuchen wir BLS Spektren als Funktion des Winkels zwischen Probenoberfläche und einfallendem Laserstrahl. Wir vergleichen leere und mit PDMS gefüllte Matrizen, wobei wir zwei Arten von Moden im Brillouin-Spektrum beobachten: Bulkmoden von PDMS und der Matrizen einerseits und Oberflächenmoden andererseits. German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Experimental Condensed Matter Physics
Date Deposited: 04 Dec 2013 12:07
Last Modified: 04 Dec 2013 12:07
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36926
Referees: Stühn, Prof. Dr. Bernd and Feile, Prof. Dr. Rudolf
Refereed: 25 November 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3692
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