Effect of graphene on mechanical, tribological and electrical properties of polymer nanocomposites

In this work, graphene was introduced in polyamide 6 (PA6) and polyoxymethylene (POM) to produce nanocomposites with increased electrical, mechanical and tribological characteristics. Composites with various percentages of graphene (0, 0,1, 0,5, 1 wt.%) were produced through melt blending technique, using an ethylene-vinyl acetate (EVA) masterbatch which contains 10 wt.% of graphene. Results show that graphene does not improve electrical and mechanical properties. Electrical conductivity does not change sensibly, and mechanical properties are decreased. The produced nanocomposites, however, show improved tribological properties, with a decrease in wear rate and friction coefficient. Through the introduction of 1 wt.% of graphene, a reduction of 96% of wear rate for samples made of PA6 and 91% for samples made of POM is observed. In order to understand the effect that graphene has on electrical, mechanical and tribological properties, microstructural and thermal analysis on various samples has been performed. The decrease in mechanical properties is primarily attributed to the insufficient dispersion of graphene and its low interaction with the polymeric matrix. The introduction of graphene therefore does not compensate negative effects determined by the presence of the masterbatch carrier, EVA. Enhancement in tribological properties is primarily attributed to the delamination of graphene during wear which is able to decrease friction and modify wear mechanism.

In questo lavoro del grafene è stato introdotto in due differenti matrici polimeriche, poliammide 6 (PA6) e poliossimetilene (POM), per produrre nanocompositi ad elevate caratteristiche elettriche, meccaniche e tribologiche. I compositi sono stati prodotti con varie percentuali di grafene (0, 0,1, 0,5, 1% in peso) mediante miscelazione allo stato fuso, utilizzando un masterbatch in etilene-vinil acetato (EVA) contenente il 10% in peso di grafene. I risultati hanno mostrato come il grafene non sia in grado di fornire miglioramenti alle proprietà elettriche e meccaniche. La conducibilità elettrica non cambia sensibilmente e le proprietà meccaniche risultano diminuite. I nanocompositi prodotti, tuttavia, hanno mostrato proprietà tribologiche migliorate, con una diminuzione del tasso di usura e del coefficiente di attrito. Attraverso l'introduzione dell'1% in peso di grafene, è stata osservata una riduzione del tasso di usura del 96% nel caso dei campioni in PA6 e del 91% nel caso dei campioni in POM. Al fine di comprendere l'effetto che il grafene ha sulle proprietà elettriche, meccaniche e tribologiche sono state eseguite analisi microstrutturali e termiche su vari campioni. Le proprietà meccaniche diminuiscono a causa della insufficiente dispersione del grafene e della sua bassa interazione con la matrice polimerica. L’introduzione del grafene non riesce quindi a controbilanciare gli effetti negativi dovuti all’utilizzo dell’EVA, introdotto attraverso il masterbatch. Il miglioramento delle proprietà tribologiche è stato principalmente attribuito alla delaminazione del grafene durante l'usura, in grado di ridurre l'attrito e modificare il meccanismo di usura.