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Reactively Compatibilized Polylactide/Polyamide 11 Blends and Nanocomposites Containing Multiwall Carbon Nanotubes

Zeinab Mousavi Khalkhali

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Blending polylactide (PLA) with another bio-based polymer such as polyamide 11 (PA11) that has complementary properties to PLA allows improving its toughness. It can also enhance its thermal properties and thermomechanical performance above its glass transition temperature (Tg). However, poor compatibility between PLA and PA11 impedes any enhancement of PLA mechanical properties by blending with PA11. Reactive blending is an effective method for improving the compatibility and mechanical properties of PLA/PA11 blends. In a few studies chain extenders have been used as reactive compatibilizers in PLA/PA11 blends; however, many aspects remain unclear requiring additional investigations. Generally, nanoparticles are incorporated into polymer blends to further enhance their performance. The selective localization of nanoparticles in a blend can be used to tailor its morphology and properties. In this thesis, improving the properties of PLA by reactive blending with PA11 was studied. The effect of adding carbon nanotubes (CNTs) on the morphology and properties of the compatibilized blend was examined. In this system the nanoparticles and chain extender simultaneously affect the blend morphology and rheological properties of the blend components. In the first part of this work, a comparative study on the state of dispersion of multiwall and double-wall carbon nanotubes (MWCNTs and DWCNTs, respectively) in PLA and PA11 prepared under the same processing conditions, was carried out to gain insight into their dispersion state in PLA/PA11 blend. Nanocomposites were prepared using an internal mixer. Rheological characterization proved the formation of CNT networks in PLA and PA11 and morphological observations confirmed well dispersed CNTs in PLA while in PA11 some agglomerates were detected. The relative increases of the linear viscoelastic properties of the PLA-MWCNT nanocomposites were greater than those of the PA11-MWCNT nanocomposites. A lower rheological percolation threshold was also observed for PLA-MWCNT compared to the PA11-MWCNT nanocomposites, i.e. less than 0.5 wt.% versus about 2 wt.%. Larger apparent yield stress values and larger electrical conductivities were obtained for the PLA-MWCNT nanocomposites compared to the PA11-based systems. Nanocomposites containing DWCNTs exhibited higher electrical conductivities compared to those containing MWCNTs due to the higher aspect ratio of the DWCNTs. However, due to a severe degradation of PLA upon adding DWCNTs, the rheological properties of PLA nanocomposites containing MWCNTs and DWCNTs could not be compared. Dynamic mechanical thermal analysis (DMTA) showed enhanced storage modulus values and reduced damping behavior with increasing content of CNTs for both polymers.

Résumé

Le mélange du polylactide (PLA) avec un autre polymère biosourcé tel que le polyamide 11 (PA11), qui possède des propriétés complémentaires au PLA, permet d'améliorer la ténacité du PLA. Cette démarche peut également améliorer les propriétés thermiques et les performances thermomécaniques du PLA. Cependant, une mauvaise compatibilité entre le PLA et le PA11 empêche toute amélioration des propriétés. Le mélange réactif est une méthode efficace pour améliorer la compatibilité et les propriétés mécaniques des mélanges polymères comme PLA/PA11. Dans certaines études, des allongeurs de chaînes ont été utilisés comme agents compatibilisants réactifs dans les mélanges PLA/PA11; cependant, de nombreux aspects demeurent flous et nécessitent des investigations supplémentaires. De même, des nanoparticules sont généralement incorporées dans des mélanges polymères pour améliorer leurs performances. La localisation sélective des nanoparticules dans un mélange peut être utilisée pour contrôler sa morphologie et ses propriétés. Dans cette thèse, l'amélioration des propriétés du PLA par mélange réactif avec le PA11 a été étudiée. L'effet de l'ajout de nanotubes de carbone (CNTs en anglais) sur la morphologie et les propriétés du mélange compatibilisé a été examiné. Dans ce système, les nanoparticules et l'allongeur de chaînes affectent simultanément la morphologie du mélange et les propriétés rhéologiques des composants du mélange. Dans la première partie de ce travail, une étude comparative a été réalisée sur l'état de dispersion des nanotubes de carbone multi-feuillets et double-feuillets (MWCNTs et DWCNTs (en anglais), respectivement) dans le PLA et le PA11, préparés dans les mêmes conditions de mélange. Les nanocomposites ont été préparés en mélangeur interne. La caractérisation rhéologique a montré la formation de réseaux de CNTs dans le PLA et le PA11, et les observations morphologiques ont confirmé des CNTs bien dispersés dans le PLA et la présence de certains agglomérats dans le PA11. Les augmentations relatives des propriétés viscoélastiques linéaires des nanocomposites PLA-MWCNT étaient supérieures à celles des nanocomposites PA11-MWCNT. Un seuil de percolation rhéologique plus bas a également été observé pour le PLA-MWCNT par rapport aux nanocomposites PA11-MWCNT, c'est-à-dire moins de 0.5 % en poids contre environ 2 % en poids. Des valeurs plus élevées pour la limite d'élasticité apparente et des conductivités électriques plus importantes ont été obtenues pour les nanocomposites PLA-MWCNT par rapport aux systèmes à base de PA11. Les nanocomposites contenant des DWCNTs présentaient des conductivités électriques plus élevées que ceux contenant des MWCNTs en raison du rapport de forme plus élevé des DWCNTs. Cependant, en raison d'une forte dégradation du PLA lors de l'ajout de DWCNTs, les propriétés rhéologiques des nanocomposites de PLA contenant des MWCNTs et des DWCNTs n'ont pu être comparées. L'analyse thermique mécanique dynamique (DMTA) a montré des valeurs améliorées pour le module élastique et un comportement d'amortissement réduit avec une teneur croissante en CNTs pour les deux polymères.

Department: Department of Chemical Engineering
Program: Génie chimique
Academic/Research Directors: Pierre Carreau and Marie-Claude Heuzey
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/53347/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Sep 2023 14:25
Last Modified: 05 Apr 2024 19:30
Cite in APA 7: Mousavi Khalkhali, Z. (2023). Reactively Compatibilized Polylactide/Polyamide 11 Blends and Nanocomposites Containing Multiwall Carbon Nanotubes [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/53347/

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