[論文レビュー] Polyaniline and graphene nanocomposites for enhancing the interlaminar fracture toughness and thermo-mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites

Pralhad Lamichhane, Dilli Dhakal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Conducting polymers and applications被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、ポリビニルピロリドン（PVP）中に分散されたポリアニリン塩酸塩被膜グラフェンナノプレートレーツ（PANI-GNP）を炭素繊維/エポキシ複合材料の界面に導入し、界面破壊靭性および熱機械的特性を向上させた。PVP中に5 wt%のGNPを添加して界面部にコーティングを施した結果、モードIの界面破壊靭性が79%向上した。動的機械分析により、保存率が向上したことが確認された。

ABSTRACT

Delamination is one of the major concerns for carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. Improving fracture toughness reduces delamination and allows for the creation of multifunctional CFRP. In this study, polyaniline (PANI) coated graphene nanoplatelets (GNP) are introduced in the interlaminar region of CFRP pre-preg with the aid of environmentally friendly thermoplastic polymer, polyvinylpyrrolidone (PVP). The GNP content is varied as 1, 3, and 5% by weight with respect to PVP. The improvements in the fracture toughness are investigated using a double cantilever beam test. An improvement of approximately 79% in mode-I fracture toughness is observed with the addition of 5 wt% GNP with respect to PVP. Dynamic mechanical analysis results confirmed the improvements in storage modulus but showed a decrease in glass transition temperature with the addition of nanofiller. Various spectroscopic analysis and imaging techniques were used to understand and evaluate the interactions of nanocomposites with CFRP pre-preg.

研究の動機と目的

• 炭素繊維/エポキシ複合材料における主要な破壊モードである界面剥離を是正すること。
• 環境に配慮したPVPを基体として用いることで、PANI-GNPナノコンポジット用の多機能的界面を構築すること。
• 成形性を損なわず、界面破壊靭性および保存率を向上させること。
• GNP含有量（1、3、5 wt%）が機械的および熱的特性に与える影響を調査すること。

提案手法

• イントラサイト重合を用いたポリアニリン被膜グラフェンナノプレートレーツ（PANI-GNP）の合成。
• PVP中に1、3、5 wt%のPANI-GNPを分散させ、熱可塑性界面を形成する。
• スケーラブルで環境に配慮した方法により、PANI-GNP/PVP複合材料を炭素繊維/エポキシプレグの界面部に適用する。
• モードI荷重下におけるデュアルキャニオンバー（DCB）試験を用いて破壊靭性を評価する。
• 動的機械分析（DMA）を用いて保存率およびガラス転移温度（Tg）の変化を評価する。
• 分光および画像解析技術（例：SEM、FTIR）を用いて界面相互作用および分散状態を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PANI-GNP/PVP界面を導入することで、炭素繊維/エポキシ複合材料のモードI界面破壊靭性はどのように変化するか？
• RQ2 破壊靭性および熱機械的性能を最大化するための最適なGNP含有量（1、3、または5 wt%）は何か？
• RQ3 PANI-GNP/PVP界面は、複合材料の保存率およびガラス転移温度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 観察された機械的特性の向上を引き起こす界面相互作用および分散特性は何か？

主な発見

• PVP中に5 wt%のGNPを含有させた場合、純粋なPVPで強化された複合材料と比較して、モードIの界面破壊靭性が79%向上した。
• GNPの添加に伴い、複合材料の保存率が向上し、界面部の剛性が向上したことが示された。
• GNP含有量の増加に伴い、ガラス転移温度（Tg）が低下した。これは、プラスチック化効果または界面での緩和効果を示唆している。
• 分光および画像解析により、PANI-GNPとPVPとの間には強い界面相互作用があり、最適含有量で均一な分散が確認された。
• PANI-GNP/PVPシステムは、亀裂の進行に伴うエネルギー散逸を促進するように、界面を効果的にブリッジングした。
• 本手法は、ベースとなる複合材料の成形工程を変更せずに、スケーラブルかつ環境に配慮した多機能的界面設計を可能にする。