Rheology, Properties and Microstructure Development of Polymer/Carbon Nanotube Composites in Microinjection Molding Process

RÉSUMÉ Dans le cadre de cette thèse des concepts nouveaux pour l'alignement des nanotubes de carbone multi-couche (MWCNT) induit par le cisaillement, la caractérisation de MWCNT / polymères nanocomposites et la fabrication par microinjection de pièces à base de nanocomposites optimisés sont présentés. Les effets des microstructures et des morphologies développées dans diverses conditions, de mise en oeuvre par le procédé de micromoulage sur les propriétés rhéologiques, électriques et mécaniques de nanocomposites à base de CNT sont étudiés. Le développement dans la technologie des microsystèmes et la demande constante de dispositifs fonctionnels à des échelles de longueur de plus en plus petites a imposé l'application du procédé de moulage par microinjection comme une technologie clé dans ce domaine. Le moulage par microinjection est un procédé relativement nouveau avec un grand potentiel de production en série de microdispositifs comprenant des détails d'un niveau de complexité élevé qu'il n'est pas possible de fabriquer par les techniques de moulage par injection classique. Il s'agit d'un nouveau domaine de recherche et on s'attend à une croissance continue au cours des dix prochaines années, étant donné la tendance croissante à la miniaturisation des composants et l'augmentation de la demande de microdispositifs. Les nanotubes de carbone sont des matériaux de grande utilité dans ce contexte avec des conductivités électrique et thermique supérieures et des propriétés mécaniques extrêmement importantes, essentiellement dues à leur structure et à leur facteur de forme élevé. Par conséquent, les nanocomposites à base de CNT dans une matrice de polymère sont des matériaux prometteurs pour la fabrication de micropièces multifonctionnelles ayant des propriétés uniques pour une large gamme d'applications. L'étude des propriétés rhéologiques des matériaux composites, notamment leur comportement viscoélastique a non seulement une importance pratique, liée à leur mise en oeuvre, mais a aussi un intérêt scientifique, car elle peut être utilisée comme une sonde de la microstructure des composites investigués. Par conséquent, une recherche fondamentale est nécessaire pour établir la relation entre le comportement rhéologique, les conditions de mise en oeuvre et les propriétés finales des pièces en composites à base de nanotubes de carbone / polymère par le procédé de microinjection.

Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) are great materials with superior electrical and thermal conductivity, mechanical properties and high aspect ratio. Consequently, CNT/polymer nanocomposites are promising materials for making multifunctional microscale components with unique properties and a wide range of applications. If considerable research has been conducted regarding the physical properties of carbon nanotube filled nanocomposites, including mechanical properties, electrical conductivity and rheological properties, only a few investigations have focused on the practical applications of nanocomposites in various industrial fields. In this dissertation, we intended to create a predictive understanding of the coupling of microinjection molding process to the development of the performance properties of carbon nanotube/polymer composites, focusing on the rheology, microstructure and properties of microparts. To explore the CNTs feature and to enable their processing, the nanocomposite preparation was optimized through a set of rheological measurements and microstructure characterization. We first examined the rheological behavior of polycarbonate (PC)/ MWCNT nanocomposites in light of interactions between CNTs and polymer chains or between CNTs themselves. To understand the percolated structure, the nanocomposites were characterized via a set of rheological, electrical and thermal conductivity measurements. The rheological measurements revealed that the structure and properties were temperature dependent; the percolation threshold was significantly lower at higher temperature suggesting stronger nanotube interactions. However, when the measurement temperature was high enough the percolation threshold tend to reach a plateau (0.3 wt%) The nanotube networks were also sensitive to the steady shear deformation particularly at high temperature. Following preshearing, the elastic modulus decreased markedly indicating that the nanotubes were aligned in the flow direction. Consequently, they interconnected minimally leading to a remarkable increase in the percolation threshold. The effect is more pronounced at higher temperature suggesting that nanotubes became more rigid. As expected, it was found that the rheological threshold (0.3-0.8 wt%) was smaller than the thermal (1-2 wt%) and electrical threshold (2-3 wt%).