Flow Induced Orientation in Carbon Nanotube Suspension: Modeling and Experiments

De par leurs propriétés uniques, les nanotubes de carbone (NTCs) sont très prometteurs pour la prochaine génération de matériaux. Les applications sont multiples et variées et touchent des domaines comme l'électronique organique, le renforcement de composites en plastiques conducteurs, les alliages et même de nouveaux types de capteurs biologiques. En dépit de ces promesses et potentialités, les composites et les suspensions de nanotubes de carbone sont par nature difficiles à traiter. La formulation de procédés efficaces pour obtenir des résultats à la hauteur des espérances souhaitées ne font que commencer. Le succès des NTCs, dans toutes les applications possibles, dépend de leur compréhension fondamentale et de la capacité à contrôler l'évolution de leur microstructure lors de leur mise en œuvre. Lors d'un écoulement, les NTCs dispersés dans une matrice polymère s'orientent et interagissent induisant des corrélations spatiales et orientationnelles. Les agglomérats peuvent également se briser si les forces hydrodynamiques sont suffisantes ce qui augmente la probabilité de contact entre les différents nanotubes et améliore leur interactions avec la matrice ainsi que la fluidité du matériau composite. Au repos, la microstructure d'une suspension de NTCs ne cesse de changer à cause du mouvement brownien et des forces attractives de van der Waals; les nanotubes de carbone diffusent dans la phase liquide et tendent à former un réseau. Pour analyser un système aussi complexe, une résine époxy de faible viscosité a été utilisée comme matrice pour disperser les nanotubes de carbone à parois multiples (NTCPMs). Les polymères newtoniens sont particulièrement utiles car ils peuvent conférer une relativement large contrainte de cisaillement permettant de briser les agglomérats de NTCs facilitant ainsi leur dispersion. Le comportement newtonien, lui, permet de ne pas masquer les propriétés viscoélastiques de l'ensemble du système. Du régime de concentration dilué vers un régime plus concentré, les suspensions de NTCs ont été étudiées rhéologiquement afin d'obtenir des informations sur l'orientation et le transport des nanotubes de carbone individuels ainsi que sur les propriétés viscoélastiques du réseau formé par ces particules cylindriques. La rhéologie a été utilisée pour comprendre l'évolution de la microstructure sous écoulement ainsi que dans des conditions statiques. Les effets de l'histoire de l'écoulement, de la vitesse de cisaillement, du temps de repos et de la direction de cisaillement ont été étudiés. Pour corréler la microstructure avec les données rhéologiques, deux voies ont été choisies. La première voie comprenait une analyse rhéo-optique. Le dichroïsme des suspensions a été étudié pour les suspensions appartenant aux régimes dilués et semi-dilués. Des informations directes sur la dispersion, l'évolution de l'orientation lors de l'écoulement et les effets dus au mouvement brownien ont ainsi été obtenus. La seconde voie consistait à développer de nouveaux modèles rhéologiques afin de corréler les informations à l'échelle de la microstructure avec l'évolution du tenseur de contrainte ou de l'indice de réfraction de la suspension. Dans le régime dilué, les nanotubes ont été modélisés comme des particules flexibles. Un modèle modifié à deux tiges a été utilisé ce qui permet d'obtenir des conformations d'équilibre non- alignées. Dans les régimes plus concentrés, la dynamique du système est contrôlée par des interactions de type tige-tige. Les nanotubes ont été modélisés comme des bâtonnets rigides sans inertie et l'état d'orientation du système est influencé par des interactions via des forces de lubrification non-linéaires, des forces hydrodynamiques et par le mouvement brownien. La comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions des modèles proposés permet de quantifier les mécanismes fondamentaux derrière l'évolution de la microstructure des suspensions de NTCs. Afin de mieux différencier la rhéologie des suspensions de NTCs, les prédictions du modèle ont également été confrontées aux données expérimentales pour une suspension de particules microscopiques: des fibres de verre dans le polybutène [Sepehr et al. (2004b)]. Dans le cas des micro-particules, les prédictions du modèle ont confirmé que la réponse rhéologique du système est contrôlée par des effets d'orientation tandis que les interactions entre particules sont dominantes dans le cas des suspensions de NTCs. Ainsi, ce travail explore les liens entre la rhéologie des suspensions de nanotubes de carbone et l'évolution de leur microstructure en suspension. Ceci est la première étape vers la conception de nouveaux systèmes de traitement afin d'exploiter complètement les propriétés uniques des nanotubes de carbone.

Abstract

Due to their unique properties, carbon nanotubes (CNTs) hold remarkable promise for the next generation of materials, with potential applications in organic electronics, reinforced and electrically conducting plastic composites, new alloys, and even new types of biological sensors and devices. Despite these promises and potentialities, carbon nanotube composites and suspensions are inherently difficult to process, and efficient processing schemes are only just starting to be formulated. The success of CNTs, in all potential applications, depends on the understanding and ability to control the microstructure evolution during processing. During flow, CNTs dispersed in a polymeric matrix orient and interact, inducing spatial and orientation correlations. Agglomerates can also break if the hydrodynamic forces are sufficient, increasing the probability of contact between different nanotubes and improving the interactions with the matrix and the flowability of the composite. At rest, the microstructure of the CNT suspension keeps changing due to Brownian motion and van der Waals attractive forces, and the CNTs diffuse in the suspending fluid and eventually form a network of particles. To analyze such a complex system, a low viscosity epoxy was used as the matrix to disperse the multiwall carbon nanotubes (MWCNTs). Nearly Newtonian polymers are particularly useful because they can impart significant shear stress to break the CNT agglomerates and facilitate their dispersion, while their Newtonian behavior does not mask the viscoelastic properties of the overall system. From dilute to concentrated regimes, CNT suspensions were rheologically probed to obtain information ranging from the orientation and transport of individual carbon nanotubes to the viscoelastic properties of dense and isotropic network of rods. Rheology was used to understand the microstructure evolution under flow and in static conditions. The effects of flow history, shearing velocity, rest time and shearing direction were studied. To correlate the microstructure with the rheological data, two different routes were undertaken. The first route involved rheo-optical analysis. Dichroism was investigated for suspensions belonging to the dilute and semi-dilute regimes. Direct information on dispersion, orientation evolution during flow and Brownian motion were obtained. The second route consisted in developing new rheological models in order to correlate micro-scale information to the evolution of the related stress tensor or refractive index tensor. In the dilute regime, the nanotubes were modeled as flexible particles. A modified two-rod model was used, allowing non-straight equilibrium conformations. In more concentrated regimes, the dynamic of the system is controlled by rod-rod interactions. The nanotubes were modeled as inertialess rigid rods and the system orientation state is influenced by interactions via non-linear lubrication forces, hydrodynamic forces and Brownian motion. The comparison of the experimental results with the models predictions allowed to quantify the fundamental mechanisms behind the microstructure evolution of CNT suspensions. To further differentiate the rheology of CNT suspensions, the model predictions were also confronted with the experimental data for a microsize particle suspension: glass fiber-filled polybutene [Sepehr et al. (2004b)]. In the case of the micro-size particles, the model predictions confirmed that the rheological response of the system was controlled by orientation effects while interactions were dominant in the case of CNT suspensions. Hence, this work explores the connections between the bulk rheology of carbon nanotube suspensions and their microstructural evolution. This is the first step towards the design of new processing schemes in order to completely exploit carbon nanotube unique properties.