Dissertationen: „Carbon interaction“

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Rahmat, Meysam. "Carbon nanotube - polymer interaction in nanocomposites." Thesis, McGill University, 2011. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=104648.

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Carbon nanotube–polymer nanocomposites have been the centre of intense studies for the past few years. With the superior properties of carbon nanotubes and the flexibility of polymers for different applications, extremely high expectations were set for this class of nanocomposites. Modelling studies showed significant potential, but the experimental investigations faced strict challenges to reach the predicted values. One of the main challenges is to obtain the optimum interaction between the nanotubes and the polymer matrix. The interaction influences the dispersion of nanotubes in the polymer and affects the overall properties of the nanocomposite. Therefore, the main objective of this research was to study the carbon nanotube–polymer interaction in nanocomposites. Based on a comprehensive review of the literature, molecular dynamics and atomic force microscopy were selected as the modelling and experimental techniques to study the interaction. In the modelling section, the interfacial properties of a single-walled carbon nanotube–poly(methyl methacrylate) nanocomposite were obtained through a three-phase simulation of a pull-out test. An interfacial binding energy of 0.39 kcal/molÅ2 was obtained from molecular dynamics simulation. On the other hand, in the experimental section, stepwise discretization method was proposed as a novel technique of interaction measurement using atomic force microscopy. Furthermore, a new interaction parameter, called interaction stress, was introduced to evaluate the interaction quality in nanocomposites. The stepwise discretization method was applied to a single-walled carbon nanotube–poly(methyl methacrylate) nanocomposite and a maximum interaction stress of 7 MPa was obtained. The results were, then, applied to classical contact theory and a nanoscale contact theory was developed. Furthermore, the interaction stress data were input to coarse grain simulations to obtain the interfacial properties of the nanocomposites. This new approach benefited from the flexibility of the coarse grain method and the reliability of the experimental data obtained from atomic force microscopy. Based on the results of the coarse grain simulations, the interfacial binding energy of a single-walled carbon nanotube–poly(methyl methacrylate) nanocomposite was estimated as 0.44 kcal/molÅ2. This value was then compared with the interfacial binding energy obtained from molecular dynamics results (i.e., 0.39 kcal/molÅ2). The good agreement between the results of modelling and experimental approaches demonstrated the validity of the work and the robustness of the proposed methods and parameters. Les nanocomposites avec des polymères renforcés de nanotubes de carbone ont été le centre d'attention de nombreuses études dans les dernières années. Les propriétés supérieures des nanotubes de carbone et la flexibilité des polymères à être utilisés dans de diverses applications ont créé de grandes attentes pour cette classe de nanocomposites. Des études de modélisation ont démontré un fort potentiel pour ces matériaux, cependant la validation expérimentale de ces propriétés prédites reste un défi. Une des principales difficultés est l'obtention d'une interaction optimale entre les nanotubes et la matrice polymère. Cette interaction influence la dispersion des nanotubes dans le polymère et affecte les propriétés globales du nanocomposite. De ce fait, l'objectif principal de ce travail de recherche a été l'étude de l'interaction entre les nanotubes de carbone et le polymère dans les nanocomposites. A partir d'une revue détaillée de la littérature, la méthode de dynamique moléculaire et la microscopie à force atomique ont été choisies comme techniques numériques et expérimentales pour étudier l'interaction. Dans la partie de modélisation, les propriétés d'interface d'un nanotube à paroi simple avec du poly(methyl methacrylate) ont été obtenues à partir d'une simulation d'un test d'arrachement en trois phases. Une énergie de liaison d'interface de 0.39 kcal/molÅ2 a été calculée par la simulation de dynamique moléculaire. Dans la section expérimentale, une méthode de discrétisation par étapes a été proposée en tant que nouvelle technique de mesure de l'interaction par microscopie à force atomique. De plus, un nouvel paramètre d'interaction, appelé contrainte d'interaction, a été introduit pour évaluer la qualité de l'interaction dans les nanocomposites. La méthode de discrétisation par étapes a été utilisée pour le nanocomposite de poly(methyl methacrylate) avec un nanotube de carbone à paroi simple, et une interaction maximale de contrainte de 7 MPa a été obtenue. Les résultats ont été ensuite utilisés pour la théorie classique de contact et une théorie de contact à l'échelle nano. Les données sur les interactions de contraintes ont été aussi utilisées comme entrées pour des simulations de dynamique moléculaire «gros grains» afin d'obtenir les propriétés d'interface des nanocomposites. Cette nouvelle approche bénéficie de la flexibilité de la méthode de dynamique moléculaire «gros grains» et de la fiabilité des données expérimentales obtenues par la microscopie à force atomique. À partir des résultats de la méthode de dynamique moléculaire «gros grains», l'énergie de liaison d'interface d'un nanocomposite de nanotube de carbone–poly(methyl methacrylate) a été estimée à 0.44 kcal/molÅ2. Cette valeur a été comparée à l'énergie de liaison d'interface obtenue par la méthode de dynamique moléculaire (i.e., 0.39 kcal/molÅ2). La bonne corrélation entre les résultats basés sur des approches numériques et expérimentales démontre la validité de cette étude ainsi que la robustesse des méthodes proposées et des paramètres développés.