Investigation of hybrid effects of CNT and nanoclay in tailoring mechanical and electromechanical properties of epoxy based nanocomposites

Many studies have been reported in the literature on multifunctional properties of epoxy based nanocomposites reinforced with carbon nanotubes (CNTs), indicating the mechanical and piezoresistive performance of the material are strictly dependent on the microstructure resulting after manufacturing. More recently, fewer attempts have been reported of production of ternary state nanocomposites where addition of nanoclay (NC) is suggested as a means to increase mechanical properties. However, a combined investigation of mechanical and piezoresistive behavior of ternary state nanocomposites remained unaddressed. Therefore, the synergetic effects of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) and double-walled carbon nanotubes (DWCNTs) and montmorillonite (Shelsite 30B) platelets on the mechanical and piezoresistive performances of the epoxy are addressed in this study. The project was divided into two main phases. In the first phase, different CNTs morphologies (SWCNTs and DWCNTs) and weight concentrations (0.25-0.75 wt.%) were used. This was important to find out the appropriate CNTs loading along with identifying the optimum manufacturing procedure for phase 2, thus, methodological approaches used in phase 2 were optimized based on the outcomes in phase 1. For the second phase, CNTs content was kept constant while two different nanoclay loadings were used for the ternary states. In fact, the nanocomposites were prepared in two different states, i.e. the binary state, including 0.1 wt.% CNTs, and the ternary states, including 0.1 wt.% CNT and two levels of NC (0.5 wt.% and 1 wt.%). SEM, FESEM, and XRD were used for the microstructural analysis of the materials while tensile and mode I fracture tests were performed for mechanical and piezoresistive characterizations. In overall, by taking into consideration of multifunctional properties including tensile strength, fracture toughness, electrical conductivity and sensitivity, it was stated out that the ternary nanocomposites developed in phase 2 demonstrated better performance compared to the ones produced in phase 1. In fact, low tensile strength along with high variations observed in phase1, raised questions for the effective exploitation of CNTs in multifunctional properties enhancement. On the other hand, highly monotonous outcomes especially for tensile strength without sacrificing other properties indicated the effective exploitation of nanofillers in tailoring material performances in phase 2. The addition of nanoclay to CNTs doped epoxy resulted in better CNTs dispersion, hindering CNTs re-agglomeration. Significant increase in critical stress intensity factor (KIC) and critical strain energy release rate (GIC) compared to the neat epoxy was obtained for the hybrid nanocomposites developed in phase 2 due to crack bridging and crack deflection mechanisms. Because of the improved CNTs dispersion, the electrical conductivity of the ternary state materials increased substantially with respect to the binary nanocomposite. The hybrid nanocomposites also manifested higher piezoresistive sensitivity and a more robust signal in tensile and fracture tests, respectively.

Numerosi studi sono stati riportati in letteratura sulle proprietà multifunzionali dei nanocompositi a base epossidica rinforzati con nanotubi di carbonio (CNT), indicando che le prestazioni meccaniche e piezoresistive del materiale sono strettamente dipendenti dalla microstruttura risultante dopo la produzione. Più recentemente, sono stati segnalati meno tentativi di produzione di nanocompositi allo stato ternario in cui si suggerisce l'aggiunta di nanoclay (NC) come mezzo per aumentare le proprietà meccaniche. Tuttavia, un'indagine combinata sul comportamento meccanico e piezoresistivo dei nanocompositi allo stato ternario è rimasta senza indirizzo. Pertanto, gli effetti sinergici di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) e nanotubi di carbonio a doppia parete (DWCNT) e piastrine di montmorillonite (Shelsite 30B) sulle prestazioni meccaniche e piezoresistive dell'epossidico sono trattati in questo studio. Il progetto è stato diviso in due fasi principali. Nella prima fase sono state utilizzate diverse morfologie di CNT (SWCNT e DWCNT) e concentrazioni di peso (0,25-0,75 wt.% in peso). Questo è stato importante per scoprire il carico appropriato di CNT insieme all'identificazione della procedura di produzione ottimale per la fase 2, quindi, gli approcci metodologici utilizzati nella fase 2 sono stati ottimizzati in base ai risultati nella fase 1. Per la seconda fase, il contenuto di CNT è stato mantenuto costante mentre due diversi carichi di nanoclay sono stati usati per gli stati ternari. In effetti, i nanocompositi sono stati preparati in due stati diversi, vale a dire lo stato binario, compreso lo 0,1% in peso di CNT, e gli stati ternari, compreso lo 0,1 wt.% in peso di CNT e due livelli di NC (0,5 wt.% in peso e 1 wt.% in peso% ). SEM, FESEM e XRD sono stati utilizzati per l'analisi microstrutturale dei materiali mentre sono stati eseguiti test di rottura a trazione e in modalità I per caratterizzazioni meccaniche e piezoresistive. Nel complesso, prendendo in considerazione le proprietà multifunzionali tra cui resistenza alla trazione, resistenza alla frattura, conducibilità elettrica e sensibilità, è stato dichiarato che i nanocompositi ternari sviluppati nella fase 2 hanno dimostrato prestazioni migliori rispetto a quelli prodotti nella fase 1. In effetti, bassi la resistenza alla trazione, insieme alle elevate variazioni osservate nella fase 1, hanno sollevato domande per l'effettivo sfruttamento dei CNT nel miglioramento delle proprietà multifunzionali. D'altra parte, esiti altamente monotoni, in particolare per la resistenza alla trazione senza sacrificare altre proprietà, hanno indicato l'effettivo sfruttamento dei nanofiller nella sartoria delle prestazioni dei materiali nella fase 2. L'aggiunta di nanoclay all'epossidico drogato con CNT ha portato a una migliore dispersione di CNT, ostacolando il riagglomerato di CNT. È stato ottenuto un aumento significativo del fattore di intensità di stress critico (KIC) e del tasso di rilascio di energia di deformazione critica (GIC) rispetto alla resina epossidica ordinata per i nanocompositi ibridi sviluppati nella fase 2 a causa del bridging delle crepe e dei meccanismi di deflessione delle crepe. A causa della migliore dispersione dei CNT, la conduttività elettrica dei materiali a stato ternario è aumentata sostanzialmente rispetto al nanocomposito binario. I nanocompositi ibridi hanno anche manifestato una maggiore sensibilità piezoresistiva e un segnale più robusto nei test di trazione e frattura, rispettivamente.