Investigation of carbon nanotubes reinforced thermosetting resins for better tribological properties

The aim of the present study is to develop nanocomposite based on thermosetting resin, with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) as a reinforcing agent and cellulose as a lubricating agent for the better mechanical and tribological performance. The idea of developing such polymer composites is to make slip rings with them, and replace the ones made of metals in the future. These slip rings will be integrated into an aeronautical "Full Integrated Ice Protection System" as an end application. As polymer nanocomposite provides high interface area between polymer matrix and nano-sized filler thus resulting in better bonding between the two phases and better mechanical properties as compared to pristine polymer or other conventional polymer composites. For this purpose, four set of samples were prepared using hot compression molding press with different composition of fillers (functionalized carbon nanotubes, unfunctionalized carbon nanotubes, and cellulose), thermosetting polymers (melamine formaldehyde, phenol formaldehyde) at molding conditions of 8 minutes, 165ºC, 8 minutes 160ºC and 7 minutes 165ºC with constant pressure of 75 kg/cm2. Chemical functionalization of the MWCNTs was done and verified by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Surface morphology of functionalized and unfunctionalized carbon nanotubes, and molded sample was examined under Scanning Electron Microscopy (SEM).The tribological behavior of these set of samples was investigated by performing tensile, three point bending and scratch tests using Instron 1185 screw driven dynamometer and CSM Microscratch tester. To develop a composite material for the slip rings that also possess high electrical conductivity, is beyond the scope of this research work. Indeed, electrical performances of the composite here developed will be investigated in a further work.

Lo scopo del presente studio è lo sviluppo di nanocompositi basati su resine termoindurenti, con nanotubi di carbonio a parete multipla (MWCNTs) come agente rinforzante e cellulosa come agente lubrificante per migliorare le prestazioni meccaniche e tribologiche. L'idea di sviluppare tali compositi polimerici è di fabbricare collettore rotante(slip rings) con questi compositi e sostituire quelli attuali fatti in materiali metallici. Questi collettore rotante saranno integrati in un "Sistema di protezione contro il ghiaccio completamente integrato" da utilizzare per applicazioni aeronautiche. Poiché, in generale, il nanocomposito polimerico fornisce un'elevata area di interfaccia tra matrice polimerica e riempitivo di dimensioni nanometriche, il risultato è un migliore legame tra le due fasi e migliori proprietà meccaniche rispetto al polimero puro o ad altri compositi polimerici convenzionali. A tale scopo, sono stati preparati quattro set di campioni utilizzando la pressa per stampaggio a caldo variando la quantità di rinforzi (nanotubi di carbonio funzionalizzati, nanotubi di carbonio non funzionalizzati, cellulosa), la tipologia di polimeri termoindurenti (melamina formaldeide, fenolo formaldeide) e le condizioni operative di stampaggio: 8 minuti a 165ºC, 8 minuti a 160ºC e 7 minuti a 165ºC con pressione costante di 75 kg / cm2. La funzionalizzazione chimica dei MWCNT è stata effettuata e verificata mediante la spettroscopia infrarossa a trasformata di Fourier (FTIR). La morfologia superficiale di nanotubi di carbonio funzionalizzati e non funzionalizzati e il campione stampato sono stati esaminati in microscopia a scansione elettronica (SEM). Il comportamento tribologico di questi set di campioni è stato esaminato eseguendo prove di trazione, di flessione a tre punti e di resistenza allo scratch utilizzando il dinamometro a vite Instron 1185 e il CSM Tester Microscratch. Sviluppare un materiale composito per gli collettore rotante che possiedono anche un'elevata conduttività elettrica, va oltre lo scopo di questo lavoro di ricerca. Infatti, l’ottimizzazione delle propietà elettriche sarà oggetto di un futuro lavoro di tesi.