Plasmachemical Synthesis of Nanoparticles Enabling Changes of Material Surface Parameters.

Mgr. Zuzana Kučerová, Ph.D.

Disertační práce

Anotace:

Práce se soustředila na dva hlavní okruhy výzkumu. Jedním je výzkum podepozičních úprav uhlíkových nanotrubek připravených v pochodňovém atmosferickém výboji. Depozit, obsahující uhlíkové nanotrubky, je kontaminován zbytky katalyzátoru a amorfním uhlíkem. Čištění bylo provedeno termální oxidací a chemickou cestou ve směsi kyseliny sírové a dusičné. Uhlíkové nanotrubky byly rovněž opracovány ve dvou různých nízkotlakých výbojích (kapacitně vázaném a induktivně vázaném). Cílem plazmového opracování byla modifikace nanotrubek chemickými funkčními skupinami tak, aby mohly být použity jako nanoplnivo do kompozitu. Plazmová funkcionalizace měla zajistit lepší disperzi nanotrubek a vylepšit jejich vazbu k matrici. Funkcionalizované nanotrubky byly zkoumány pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie (X-ray Photoelectron Spectroscopy XPS) a Fourierovsky transformované infračervené spektroskopie (Fourier Transform Infrared Spectroscopy FTIR). Druhým předmětem výzkumu byla příprava polyuretanového kompozitu, plněného různými druhy uhlíkových plniv. Jako plnivo byly použity uhlíkové mikročástice, uhlíková mikrovlákna a uhlíkové nanotrubky dvou různých délek. Byla provedena rozsáhlá série experimentů s cílem najít metodu přípravy, pomocí které je možno připravit kvalitní homogenní kompozit ve formě tenké vrstvy. Mechanické vlastnosti polyuretanového nanokompozitu byly studovány pomocí vtiskové metody založené na měření okamžité hloubky (Depth Sensing Indentation Test DSI). Disperze plniva se ukázala jako klíčová pro přípravu kvalitního kompozitu. Byly testovány různé metody disperze plniv, zejména v případě uhlíkových nanotrubek. Nanotrubky s funkčními skupinami vykazovaly lepší disperzi a nasledně i lepší distribuci v nanokompozitu. U funkcionalizovaných nanotrubek byla rovněž pozorována lepší vazba k matrici, což způsobilo výrazné zlepšení mechanických vlastností nanokompozitu, dvakrát ve srovnání s nanokompozitem plněným čistými nanotrubkami a třikrát ve srovnání s čistou matricí.

Abstract:

Main objectives of present work were two. One of them was post-deposition treatment of carbon nanotubes prepared in atmospheric plasma torch. CNT deposit, contaminated with rest of catalyst and amorphous carbon, was purified by thermal oxidation and in mixture of sulphuric and nitric acid. CNTs were also modified in two discharges (inductively coupled and capacitively coupled) in order to introduce function groups on them so they could be utilized as a nanocomposite filler. Functionalization was carried on in order to ensure better dispersion of nanotubes and in order to improve their attachment to the matrix. Functionalized nanotubes were studied by the means of X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The second objective was a preparation of a polyurethane (PU) nanocomposites filled with various carbon fillers. Carbon microparticles were used, carbon microfibers and carbon nanotubes of two lengths. Large set of experiments has been carried out in order to find a best method for preparation of a~homogeneous nanocomposite in form of a thin film. Mechanical properties of PU nanocomposites were determined with Depth Sensing Indentation Test (DSI). Filler dispersion proved to be crucial for a good quality nanocomposite. Various methods of dispersion were tested, especially for CNTs. CNTs with function groups exhibited better dispersion and consequently better distribution in a nanocomposite. Functionalized CNTs also displayed better attachment to a PU matrix and thus improved significantly mechanical properties of a nanocomposite, even twice compared to pristine CNTs and three times compared to pure PU matrix.

Keywords

carbon nanotubes, plasma functionalization, nanocomposite, polyurethane, mechanical properties uhlíkové nanotrubky, plazmová funkcionalizace, nanokompozit, polyuretan, mechanické vlastnosti

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 21. 4. 2009

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 27. 4. 2009
• Vedoucí: prof. RNDr. Jan Janča, DrSc.
• Oponent: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc., Prof. RNDr. Hynek Biederman, DrSc.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Fyzika (čtyřleté) / Fyzika plazmatu