Transparent bacterial cellulose-boehmite-epoxi-siloxane nanocomposites

Organic-inorganic composite membranes were prepared from membranes of the bio-polymer bacterial cellulose (BC) and organic-inorganic sal composed of nanoparticulate boehmite and epoxi modified siloxane. Bacterial cellulose membranes are obtained in a highly hydrated state (1% cellulose and 99% cellulose) from cultures of Gluconacetobacter xylinus and could be used in the never-dried or in the dried state. Depending on the use of dried or never-dried BC membranes two main kinds of composites were obtained. In the first one dried BC membranes coated with the hybrid sol have lead to transparent membranes displaying a hi-phase structure where the two components could be easily distinguished, with individual structures preserved. A decrease was observed for tensile strength (50.5 MPa) and Young's Modulus (2.8 GPa) when compared to pure BC membrane (112.5 MPa and 12.7 GPa). Elongation at break was observed to increase (2.5% against 1.5% observed for BC). When never-dried BC membranes were used transparent membranes were also obtained, however an improvement was observed for mechanical properties (tensile strength - 116 MPa and Young's Modulus - 13.7 GPa). A lower value was obtained for the elongation at break (1.3%). In the last case the interaction between the two-phases lead to changes in the cellulose crystallinity as shown by X rays diffraction results. Multifunctional transparent membranes displaying the cellulose structure in one side and the boehmite-siloxane structure at the opposite face could find special applications in opto-electronics or biomedical areas taking advantage of the different chemical nature of the two components. (C) 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Synthesis and characterization of structurally well-defined polymer-layered silicate nanocomposites

Zusammenfassung Nanokomposite aus Polymeren und Schichtsilikaten werden zumeist auf der Basis natürlicher Tone wie Montmorillonit hergestellt. Für NMR- und EPR-Untersuchungen der Tensidschicht, die das Silikat mit dem Polymer kompatibilisiert, ist der Eisengehalt natürlicher Tone jedoch abträglich, weil er zu einer Verkürzung der Relaxationszeiten und zu einer Linienverbreiterung in den Spektren führt. Dieses Problem konnte überwunden werden, indem als Silikatkomponente eisenfreies, strukturell wohldefiniertes Magadiit hydrothermal synthetisiert und für die Kompositbildung eingesetzt wurde. Die Morphologie des Magadiits wurde durch Rasterelektronenmikroskopie charakterisiert und der Interkalationsgrad von schmelzinterkalierten Polymer-Nanokompositen wurde durch Weitwinkelröntgenstreuung bestimmt. Polymere mit Carbonylgruppen scheinen leichter zu interkalieren als solche ohne Carbonylgruppen. Polycaprolacton interkalierte sowohl in Oragnomagadiite auf der Basis von Ammoniumtensiden als auch in solche auf der Basis von Phosphoniumtensiden. Die Dynamik auf einer Nanosekundenzeitskala und die Struktur der Tensidschicht wurden mittels ortsspezifisch spinmarkierter Tensidsonden unter Nutzung von Dauerstrich- (CW) und Puls-Methoden der elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) untersucht. Zusätzlich wurde die statische 2H-Kernmagnetresonanz (NMR) an spezifisch deuterierten Tensiden angewendet, um die Tensiddynamik auf einer komplementären Zeitskala zwischen Mikrosekunden und Millisekunden zu erfassen. Sowohl die CW-EPR- als auch die 2H-NMR-Ergebnisse zeigen eine Beschleunigung der Tensiddynamik durch Interkalation von Polycaprolacton auf, während sich in den nichtinterkalierten Mikrokompositen mit Polystyrol die Tensiddynamik verlangsamt. Die Rotationskorrelationszeiten und Aktivierungsenergien offenbaren verschiedene Regime der Tensiddynamik. In Polystyrol-Mikrokompositen entspricht die Übergangstemperatur zwischen den Regimen der Glasübergangstemperatur von Polystyrol, während sie in Polycaprolacton-Nanokompositen bei der Schmelztemperatur von Polycaprolacton liegt. Durch die erhebliche Verlängerung der Elektronenspin-Relaxationszeiten bei Verwendung von eisenfreiem Magadiit können Messdaten hoher Qualität mit Puls-EPR-Experimenten erhalten werden. Insebsondere wurden die Vier-Puls-Elektron-Elektron-Doppelresonanz (DEER), die Elektronenspinechoenveloppenmodulation (ESEEM) und die Elektronen-Kern-Doppelresonanz (ENDOR) an spinmarkierten sowie spezifisch deuterierten Tensiden angewandt. Die ENDOR-Ergebnisse legen ein Model der Tensidschicht nahe, in dem zusätzlich zu den Oberflächenlagen auf dem Silikat eine wohldefinierte mittlere Lage existiert. Dieses Modell erklärt auch Verdünnungseffekte durch das Polymer in Kompositen mit Polycaprolacton und Polystyrol. Die umfangreiche Information aus den Magnetresonanztechniken ergänzt die Information aus konventionellen Charakterisierungstechniken wie Röntgendiffraktion und Transmissionselektronenmikroskopie und führt so zu einem detaillierteren Bild der Struktur und Dynamik der Tensidschicht in Nanokompositen aus Polymeren und Schichtsilikaten.

Nanoporous alumina based hypersonic phononic hybrid structures studied by brillouin spectroscopy

Phononische Kristalle sind strukturierte Materialien mit sich periodisch ändernden elastischen Moduln auf der Wellenlängenskala. Die Interaktion zwischen Schallwellen und periodischer Struktur erzeugt interessante Interferenzphänomene, und phononische Kristalle erschließen neue Funktionalitäten, die in unstrukturierter Materie unzugänglich sind. Hypersonische phononische Kristalle im Speziellen, die bei GHz Frequenzen arbeiten, haben Periodizitäten in der Größenordnung der Wellenlänge sichtbaren Lichts und zeigen daher die Wege auf, gleichzeitig Licht- und Schallausbreitung und -lokalisation zu kontrollieren, und dadurch die Realisierung neuartiger akusto-optischer Anordnungen. Bisher bekannte hypersonische phononische Kristalle basieren auf thermoplastischen Polymeren oder Epoxiden und haben nur eingeschränkte thermische und mechanische Stabilität und mechanischen Kontrast. Phononische Kristalle, die aus mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Kanälen in harter Matrix bestehen, zeigen einen sehr hohen elastischen Kontrast und sind bislang noch unerforscht. In dieser Dissertation wird die experimentelle Untersuchung zweidimensionaler hypersonischer phononischer Kristalle mit hexagonaler Anordnung zylindrischer Nanoporen basierend auf der Selbstorganisation anodischen Aluminiumoxids (AAO) beschrieben. Dazu wird die Technik der hochauflösenden inelastischen Brillouin Lichtstreuung (BLS) verwendet. AAO ist ein vielsetiges Modellsystem für die Untersuchung reicher phononischer Phänomene im GHz-Bereich, die eng mit den sich in den Nanoporen befindlichen Flüssigkeiten und deren Interaktion mit der Porenwand verknüpft sind. Gerichteter Fluss elastischer Energie parallel und orthogonal zu der Kanalachse, Lokalisierung von Phononen und Beeinflussung der phononischen Bandstruktur bei gleichzeitig präziser Kontrolle des Volumenbruchs der Kanäle (Porosität) werden erörtert. Außerdem ermöglicht die thermische Stabilität von AAO ein temperaturabhängiges Schalten phononischer Eigenschaften infolge temperaturinduzierter Phasenübergänge in den Nanoporen. In monokristallinen zweidimensionalen phononischen AAO Kristallen unterscheiden sich die Dispersionsrelationen empfindlich entlang zweier hoch symmetrischer Richtungen in der Brillouinzone, abhängig davon, ob die Poren leer oder gefüllt sind. Alle experimentellen Dispersionsrelationen werden unter Zuhilfenahme theoretische Ergebnisse durch finite Elemente Analyse (FDTD) gedeutet. Die Zuordnung der Verschiebungsfelder der elastischen Wellen erklärt die Natur aller phononischen Moden.

Thermoplastic Polymer Nanocomposites Based on Inorganic Fullerene-like Nanoparticles and Inorganic Nanotubes

Using inorganic fullerene-like (IF) nanoparticles and inorganic nanotubes (INT) in organic-inorganic hybrid composite, materials provide the potential for improving thermal, mechanical, and tribological properties of conventional composites. The processing of such high-performance hybrid thermoplastic polymer nanocomposites is achieved via melt-blending without the aid of any modifier or compatibilizing agent. The incorporation of small quantities (0.1-4 wt.%) of IF/INTs (tungsten disulfide, IF-WS2 or molybdenum disulfide, MoS2) generates notable performance enhancements through reinforcement effects and excellent lubricating ability in comparison with promising carbon nanotubes or other inorganic nanoscale fillers. It was shown that these IF/INT nanocomposites can provide an effective balance between performance, cost effectiveness, and processability, which is of significant importance for extending the practical applications of diverse hierarchical thermoplastic-based composites.

Effect of extrusion and photo-oxidation on polyethylene/clay nanocomposites

Polyethylene (a 1:1 blend of m-LLDPE and z-LLDPE) double layer silicate clay nanocomposites were prepared by melt extrusion using a twin screw extruder. Maleic anhydride grafted polyethylene (PEgMA) was used as a compatibiliser to enhance the dispersion of two organically modified monmorilonite clays (OMMT): Closite 15A (CL15) and nanofill SE 3000 (NF), and natural montmorillonite (NaMMT). The clay dispersion and morphology obtained in the extruded nanocomposite samples were fully characterised both after processing and during photo-oxidation by a number of complementary analytical techniques. The effects of the compatibiliser, the organoclay modifier (quartenary alkyl ammonium surfactant) and the clays on the behaviour of the nanocomposites during processing and under accelerated weathering conditions were investigated. X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), rheometry and attenuated reflectance spectroscopy (ATR-FTIR) showed that the nanocomposite structure obtained is dependent on the type of clay used, the presence or absence of a compatibiliser and the environment the samples are exposed to. The results revealed that during processing PE/clay nanocomposites are formed in the presence of the compatibiliser PEgMA giving a hybrid exfoliated and intercalated structures, while microcomposites were obtained in the absence of PEgMA; the unmodified NaMMT-containing samples showed encapsulated clay structures with limited extent of dispersion in the polymer matrix. The effect of processing on the thermal stability of the OMMT-containing polymer samples was determined by measuring the additional amount of vinyl-type unsaturation formed due to a Hoffman elimination reaction that takes place in the alkyl ammonium surfactant of the modified clay at elevated temperatures. The results indicate that OMMT is responsible for the higher levels of unsaturation found in OMMT-PE samples when compared to both the polymer control and the NaMMT-PE samples and confirms the instability of the alkyl ammonium surfactant during melt processing and its deleterious effects on the durability aspects of nanocomposite products. The photostability of the PE/clay nanocomposites under accelerated weathering conditions was monitored by following changes in their infrared signatures and mechanical properties. The rate of photo-oxidation of the compatibilised PE/PEgMA/OMMT nanocomposites was much higher than that of the PE/OMMT (in absence of PEgMA) counterparts, the polymer controls and the PE–NaMMT sample. Several factors have been observed that can explain the difference in the photo-oxidative stability of the PE/clay nanocomposites including the adverse role played by the thermal decomposition products of the alkyl ammonium surfactant, the photo-instability of PEgMA, unfavourable interactions between PEgMA and products formed in the polymer as a consequence of the degradation of the surfactant on the clay, as well as a contribution from a much higher extent of exfoliated structures, determined by TEM, formed with increasing UV-exposure times.

Dielectric studies of Liquid Crystal Nanocomposites and Nanomaterial systems.

Liquid crystals (LCs) have revolutionized the display and communication technologies. Doping of LCs with inorganic nanoparticles such as carbon nanotubes, gold nanoparticles and ferroelectric nanoparticles have garnered the interest of research community as they aid in improving the electro-optic performance. In this thesis, we examine a hybrid nanocomposite comprising of 5CB liquid crystal and block copolymer functionalized barium titanate ferroelectric nanoparticles. This hybrid system exhibits a giant soft-memory effect. Here, spontaneous polarization of ferroelectric nanoparticles couples synergistically with the radially aligned BCP chains to create nanoscopic domains that can be rotated electromechanically and locked in space even after the removal of the applied electric field. The resulting non-volatile memory is several times larger than the non-functionalized sample and provides an insight into the role of non-covalent polymer functionalization. We also present the latest results from the dielectric and spectroscopic study of field assisted alignment of gold nanorods.

Hybrid materials based on polyethylene and MCM-41 microparticles functionalized with silanes: catalytic aspects of in situ polymerization, crystalline features and mechanical properties

New nanocomposites based on polyethylene have been prepared by in situ polymerization of ethylene in presence of mesoporous MCM-41. The polymerization reactions were performed using a zirconocene catalyst either under homogenous conditions or supported onto mesoporous MCM-41 particles, which are synthesized and decorated post-synthesis with two silanes before polymerization in order to promote an enhanced interfacial adhesion. The existence of polyethylene chains able to crystallize within the mesoporous channels in the resulting nanocomposites is figured out from the small endothermic process, located at around 80 C, on heating calorimetric experiments, in addition to the main melting endotherm. These results indicate that polyethylene macrochains can grow up during polymerization either outside or inside the MCM-41 channels, these keeping their regular hexagonal arrangements. Mechanical response is observed to be dependent on the content in mesoporous MCM-41 and on the crystalline features of polyethylene. Accordingly, stiffness increases and deformability decreases in the nanocomposites as much as MCM-41 content is enlarged and polyethylene amount within channels is raised. Ultimate mechanical performance improves with MCM-41 incorporation without varying the final processing temperature.

Determination of preventive maintenance lead time using hybrid analysis

The time for conducting Preventive Maintenance (PM) on an asset is often determined using a predefined alarm limit based on trends of a hazard function. In this paper, the authors propose using both hazard and reliability functions to improve the accuracy of the prediction particularly when the failure characteristic of the asset whole life is modelled using different failure distributions for the different stages of the life of the asset. The proposed method is validated using simulations and case studies.

Polymer nanocomposites based on P3OT, TPU and SWNT: preparation and characterization

Single walled carbon nanotubes (SWNTs) were incorporated in polymer nanocomposites based on poly(3-octylthiophene) (P3OT), thermoplastic polyurethane (TPU) or a blend of them. Thermogravimetry demonstrated the success of the purification procedure employed in the chemical treatment of SWNTs prior to composite preparation. Stable dispersions of SWNTs in chloroform were obtained by non-covalent interactions with the dissolved polymers. Composites exhibited glass transitions, melting temperatures and heat of fusion which changed in relation to pure polymers. This behavior is discussed as associated to interactions between nanotubes and polymers. The conductivity at room temperature of the blend (TPU-P3OT) with SWNT is higher than the P3OT/SWNT composite.