Carbon nanotubes (CNT) have experienced growing popularity in the past two decades. The field of advanced composite materials has developed quite an interest in using them for high performance applications, such as into thermoplastic fibres. However, a review of the literature showed that there was a lack of understanding between the rheological behavior of CNT-filled polymer and the processability of such materials through melt spinning. In this work, a methodology to incorporate carbon nanotubes (CNT) into thermoplastic fibres and to relate mechanical properties, fibre quality and viscosity was developed. Multi-walled nanotubes (MWNT) were combined into a polyamide 12 (PA12) matrix through melt compounding and twin-screw extrusion. Pellets containing 0 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt%, 2.0 wt%, 5.0 wt% and 10.0 wt% MWNT were produced. Their rheological behaviour was investigated and spinnability and processability criteria were developed based on the loss factor and the relative viscosity. They both predicted that masterbatches containing more than 2.0 wt% CNT would be unsuitable for the production of high quality MWNT/PA12 fibres. The pellets were subsequently melt spun with a capillary rheometer at winding speeds of 41 m/min and 152 m/min. The tensile properties of as-spun filaments were measured with a micro-tensile testing machine. The results showed that the maximum Young's modulus was reached between 0 wt% and 1.0 wt% CNT, exhibiting an increase of 17%. Morphological observations revealed that there was a link between the decrease of elastic modulus and loss of surface quality for filaments containing more than 1.0 wt% MWNT. To further improve the fibres' mechanical properties, post-drawing parameters were systematically investigated: temperature, drawing speed and elongation. The best improvements in terms of elastic modulus and tensile stress were measured for the following post-drawing conditions: 140C and 500% elongation, regardless of drawing speed. The elastic modulus (E) and tensile stress values of MWNT/PA12 fibres were improved by at least 300% after post-drawing. Compared to pure PA12 fibres post-drawn under the same conditions, E increased by up to 45% and the tensile stress by up to 62%, for fibres containing 5.0 wt% MWNT. It was confirmed through electron microscopy and X-ray diffraction that these enhancements were caused by uniform nanotube dispersion, the improvement of surface quality and the alignment of the polymer chains along the fibre axis, controlled by the post-drawing temperature and elongation. Control of the mechanical properties with the post-drawing parameters shows that this method gives the opportunity to tailor CNT-fibres to meet specific demands. / Les nanotubes de carbone (CNT) ont connu une vague de popularité depuis les 20 dernières années. L'industrie des matériaux composites a développé un intérêt marqué pour leur utilisation dans des applications haute performance, telles que les fibres thermoplastiques. Par contre, une revue de la litérature a démontré qu'il y avait un manque d'information concernant le lien entre le comportement rhéologique des CNT-polymères et la facilité de fabrication par filage à l'état fondu. Dans ce travail, une méthodologie détaillée pour incorporer des nanotubes de carbone (CNT) dans des fibres thermoplastiques et relier leurs propriétiés mécaniques à leur qualité de surface et leur viscosité a été développée. Des nanotubes à multiples parois (MWNT) ont été incorporés dans une matrice de polyamide 12 (PA12) par extrusion bi-vis. Des granules contenant 0%, 0.5%, 1.0%, 2.0%, 5.0% et 10.0% de CNT par masse ont été formulées. Leur comportement rhéologique a été investigué des critères de prodédé par filage ont été développés, basés sur la viscosité relative et le facteur de perte. Ils ont tout deux prédit que des formulations contenant plus de 2.0% de CNT par masse seraient inadéquates pour la production de fibres MWNT/PA12 de qualité. Les granules ont été par la suite filées par fusion avec un rhéomètre capillaire à des vitesse de filage de 41 m/min et 152 m/min. Les propriétés en tension des filaments ont été mesurées avec une machine de test micro-tension. Les résultats ont démontrés que le module d'Young a augmenté d'une valeur maximale de 17% entre 0 et 1.0% de CNT. Des observations morphologiques ont révélées qu'il y avait un lien entre la diminution du module d'élasticité et le fini de surface de filaments contenant plus de 1.0% MWNT. Pour davantage augmenter les propriétés mécaniques, des paramètres de post-étirement ont été investigués systématiquement: température, vitesse d'étirement et elongation. Les meilleures améliorations en terme de module d'élasticité et de contrainte en tension ont été mesurées pour les paramètres suivants: 140C et 500% d'élongation, peu importe la vitesse d'étirement. Le module d'élasticité et la contrainte en tension ont augmenté d'au moins 300% après le post-traitement. Ces propriétés ont augmenté de 45% et 62%, respectivement, pour les fibres contenant 5.0% MWNT, comparées aux fibres pures de PA12 étirées selon les mêmes conditions. Il a été confirmé par microscopie électronique et diffraction aux rayons X que ces gains ont été causés par la distribution plus uniforme des nanotubes, l'amélioration du fini de surface et l'alignement des chaînes de polymère le long des fibres, contrôlés par la temperature et l'élongation. Le contrôle des propriétés mécaniques avec les paramètres de post-étirement démontre que cette méthode s'avère fort prometteuse pour confectionner des fibres selon des applications spécifiques.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107732 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Palardy, Genevieve |
| Contributors | Pascal Hubert (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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