Development of microcellular conductive foams based on polyetherimide with graphene nanoplatelets

Abstract

The aim of this dissertation was to develop and investigate novel cellular foams based on polyetherimide (PEI) and carbonbased nanoparticles such as, graphene nanoplatelets (GnP) and carbon nanotubes (CNT), using two main foaming methods; One being water vapour induced phase separation (WVIPS) method and the other being one-step foaming through dissolution of carbon dioxide (CO2) at its supercritical state. WVIPS method consists of initial preparation of polymer-solvent solution and nucleation of cells through phase separation due to water vapour absorption. The dissolution of supercritical CO2 (scCO2) in a high-pressure vessel has been used in order to consequently force a sudden expansion of the nanocomposite precursor in a one-step pressure drop which results in formation of cells. In WVIPS method, the concentration of the polymer in solvent during mixture showed to have a great impact on the morphology of the foams. Additionally, the composition seems to have various effect on the cellular structure. When a blend of PEI with polyamide-imide (PAI) was prepared using this method, the cellular formation evolved drastically depending on the amounts of PAI added to the mixture. Moreover, the incorporation of GnP and CNT seem to have affected the cellular structure and morphology with various levels of impact depending on whether the ultrasonication of the nanoparticles was applied. Using the one-step scCO2 dissolution foaming method, foams were obtained with homogenous closed-cell structure. The incorporation of GnP did not seem to affect the cellular structure of the PEI foams. However, the application of ultrasonication, melt mixing and one-step foaming seem to have induced a proper level of particle dispersion which was confirmed by X-ray diffraction analysis. The studies of mechanical properties of foams prepared via WVIPS method suggested that the densities of the foams alter their viscoelastic behaviour in a direct manner. Additionally, the mechanical behaviour followed a similar increasing trend by incrementing the amount of graphene content. Surprisingly, this behaviour changed when using CNT as reinforcement; A clear decreasing trend was observed in specific storage modulus of the foams by increasing the amount of CNT. Moreover, considering the case of polymeric blends, the mechanical behaviour seem to have been affected vastly by the structural changes. The PEI/PAI polymer composition played a key role in determination of the cellular structure and therefore, the eventual mechanical behaviour of these foams. The foams prepared through scCO2 dissolution showed an increasing trend of normalized modulus (Enorm) with increasing the density and a rise in specific modulus (Espec) with increasing the GnP volume fraction. In an overall view, the nanoparticles provided a general delay in degradation temperatures of the nanocomposite foams which could provide the possibility of their application in high temperature environments. Significant enhancements were achieved regarding the electrical conductivity of the foams. The ultrasonication of the nanoparticles have provided the possibility to increase the value of electrical conductivity by six orders of magnitude from 1.8 × 10E-7 S/m to 1.7 × 10E-1 S/m for foams containing 10 wt% of GnP. The foams with 1/1 ratio of GnP and CNT reached an electrical conductivity value of 8.8 × 10E-3 S/m containing only a total amount of 2 wt% in nanoparticles.

El objetivo de esta tesis doctoral fue desarrollar e investigar nuevas espumas celulares basadas en polieterimida (PEI) y nanopartículas basadas en carbono, como son las nanopartículas de grafeno (GnP) y los nanotubos de carbono (CNT). Para ello se utilizó dos métodos principales de formación de espumas, uno de ellos fue el método de separación de fases inducida por vapor de agua (WVIPS) y el otro consistió en la formación de espuma en un solo paso mediante la disolución de dióxido de carbono (CO2) en su estado supercrítico. El método WVIPS consiste en la preparación inicial de la solución de polímero-disolvente y la nucleación de las células a través de la separación de fases debido a la absorción del vapor de agua. La disolución de CO2 supercrítico (scCO2) se aplicó en un reactor para forzar consecuentemente una expansión repentina del precursor nanocompuesto en una caída de presión en un paso que dio como resultado la formación de células. En el método WVIPS, la concentración del polímero en el disolvente durante la mezcla mostró un gran impacto sobre la morfología de las espumas. Las espumas preparadas con una menor concentración de polímero en el disolvente dieron como resultado, espumas más ligeras con tamaños medios de células mayores. Además, la composición parece tener diversos efectos sobre la estructura celular. Cuando se preparó una mezcla de PEI con poliamida-imida (PAI) usando este método, la formación celular evolucionó drásticamente dependiendo de la fracción de PAI añadida a la mezcla. Por otra parte, la incorporación de GnP y CNT parece haber afectado la estructura celular y la morfología en diferentes niveles de impacto dependiendo de si se aplicó la ultrasonicación de las nanopartículas o no. Usando el método de espumación por disolución de scCO2 en un paso, espumas con homogeneidad estructural y con celdas cerradas fueron obtenidas. Sin embargo, la aplicación de ultrasonidos, mezcla en fusión y espumación en un solo paso parece haber inducido un nivel adecuado de dispersión de partículas que se confirmó mediante análisis de difracción de rayos X. Los estudios de las propiedades mecánicas de las espumas preparadas mediante el método WVIPS sugirieron que las densidades de las espumas alteran su comportamiento viscoelástico de manera directa. Además, el comportamiento mecánico sigue una tendencia similar al aumentar la fracción de grafeno. Sorprendentemente, este comportamiento cambia cuando se usa CNT como refuerzo; Se observó una clara tendencia decreciente en el módulo de almacenamiento específico con el aumento de la cantidad de CNT. Además, considerando el caso de las mezclas poliméricas, el comportamiento mecánico parece haber sido afectado enormemente por los cambios estructurales. La composición del polímero PEI / PAI desempeñó un parte clave en la determinación de la estructura celular y, por lo tanto, el comportamiento mecánico final de estas espumas. Las espumas preparadas a través de la disolución de scCO2 mostraron una tendencia creciente de módulo normalizado (E´norm) con el aumento de la densidad y un aumento en el módulo específico (E´spec) con el aumento de la fracción volumétrica de GnP. De forma general, las nanopartículas proporcionaron un retraso general en las temperaturas de degradación de las espumas nanocompuestas que podrían proporcionar la posibilidad de su aplicación en entornos de alta temperatura. Se lograron mejoras significativas con respecto a la conductividad eléctrica de las espumas. La ultrasonicación de las nanopartículas proporcionó la posibilidad de aumentar el valor de la conductividad eléctrica en seis órdenes de magnitud desde 1,8 × 10E-7 S/m hasta 1,7 × 10E-1 S/m en espumas que contienen 10% en peso de GnP. Las espumas con proporción 1/1 de GnP y CNT alcanzaron un valor de conductividad eléctrica de 8,8 × 10E-3 S/m que contenía solo un 2% en peso de nanopartícular