Preparation And Characterization Of Graphene Filled Epoxy Thin Film Nanocomposite For Electronic Applications

• Main Author: Ghaleb, Zaid Aws Ali
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: 2016
• Subjects: T Technology; TN263-271 Mineral deposits. Metallic ore deposits. Prospecting
• Online Access: http://eprints.usm.my/41007/1/Preparation_and_characterization_of_graphene_filled_epoxy_thin_film_nanocomposite_for_electronic_applications.pdf; http://eprints.usm.my/41007/

Grafin telah menarik perhatian yang besar dalam aplikasi elektronik kerana sifat-sifat mekanikal, elektrik dan haba yang unik kesan dari struktur dua dimensinya. Komposit nano filem nipis epoksi diisi serbuk nano grafin (GNP) telah dihasilkan menggunakan teknik ultrasonik dan salutan mejam. Kesan bebanan GNP dan masa sonikasi, kloroform sebagai larutan penyebaran untuk GNP (ch-GNP), amina sebagai ejen gandingan untuk GNP (m-GNP) dan sistem hibrid menggunakan GNP dan karbon nano tiub berbilang dinding (GNP-MWCNT) terhadap sifat tegangan, elektrik dan terma bagi komposit epoksi telah disiasat dalam kajian ini. Secara umumnya, penambahan GNP telah menurunkan kekuatan tegangan dan modulus untuk kesemua komposit epoksi. Walau bagaimanapun, komposit epoksi/GNP yang dihasilkan menggunakan 20 minit masa sonikasi mempunyai kekuatan tegangan dan modulus yang sedikit tinggi, dengan pecahan isipadu penelusan elektrik ambang yang rendah (0.1%). Kajian morfologi melalui mikroskop imbasan elektron (SEM) menunjukkan bahawa peningkatan pada penyerakan GNP telah dicapai dengan pertambahan masa sonikasi. Walau bagaimanapun, ubahbentuk GNP telah diperhatikan selepas masa sonikasi yang panjang. Kedua-dua komposit epoksi/ch-GNP dan epoksi/m-GNP yang dihasilkan menggunakan 20 minit masa sonikasi mempunyai sifat tegangan yang sedikit tinggi berbanding komposit epoksi/GNP, terutama pada bebanan pengisi yang rendah. Walau bagaimanapun, komposit epoksi/m-GNP menunjukkan nilai penelusan ambang pada bebanan pengisi yang lebih tinggi (isipadu 0.6 %) berbanding isipadunya 0.05 dan 0.1 %, masing-masing untuk komposit epoksi/ch-GNP dan epoksi/GNP. Analisis morfologi melalui SEM menunjukkan tahap penyebaran dan pengelupasan ch-GNP dan m-GNP yang tinggi di dalam komposit epoksi. Walau bagaimanpun, kajian morfologi melalui mikroskop transmisi elektron (TEM) menunjukkan bahawa kedua-dua saiz ch-GNP dan m-GNP adalah jauh lebih kecil berbanding GNP asal yang diperoleh. Dari sifat termal, didapati bahawa komposit epoksi/ch-GNP dan epoksi/m-GNP menunjukkan suhu peralihan kaca yang lebih tinggi berbanding komposit epoksi/GNP. Komposit hibrid epoksi/GNP-MWCNT menunjukkan peningkatan dalam sifat tegangan dengan peningkatan MWCNT berbanding GNP. Komposit hibrid epoksi/GNP-MWCNT dengan nisbah 0.1:0.4 bagi GNP:MWCNT, dengan jumlah pecahan isipadu pengisi nano 0.5 vol% menunjukkan sifat-sifat yang optimum di kalangan semua komposit, malahan sifat tegangan yang lebih tinggi daripada epoksi tulen dengan kekonduksian elektrik setinggi 1.82 x 10-2 S/cm, yang sekali ganda lebih tinggi daripada komposit epoksi dengan isipadu GNP 0.5%. Akhir sekali, kajian ini melibatkan penggunaan dua jenis resin epoksi yang berbeza, dengan menggunakan sistem hibrid GNP-MWCNT ke atas sifat-sifat komposit hibrid epoksi. Berbanding dengan komposit hibrid epoksi-DER (0.1:0.4), komposit hibrid epoksi-Epolam (0.1:0.4) telah menunjukkan sifat tegangan dan termal yang lebih rendah manakala kekonduksian elektrik komposit hibrid kekal hampir dengan penebat tulen matrik epoksi Epolam. ________________________________________________________________________________________________________________________ Graphene has attracted great attention in electronic applications because of the unique mechanical, electrical and thermal properties arising from its two dimensional structure. Graphene nanopowder (GNP) filled epoxy thin film nanocomposites were fabricated using ultrasonication and the spin coating techniques. The effect of GNP loading and sonication time, chloroform as dispersion solution for GNP (ch-GNP), amine as coupling agent for GNP (m-GNP) and hybrid system using GNP and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) (GNP-MWCNT) on the tensile, electrical and thermal properties of epoxy composites were investigated in this study. Generally, the addition of GNP decreased the tensile strength and modulus for all epoxy composites. However, the GNP/epoxy composites produced using 20 minutes of sonication time had a slightly higher tensile strength and modulus, with a lower electrical percolation threshold volume fraction (0.1 vol%). Morphological study via scanning electron microscopy (SEM) showed that improvement in GNP dispersion was achieved with increased sonication time. However, GNP deformation was observed after a long sonication time. Both ch-GNP/epoxy and m-GNP/epoxy composites produced using 20 minutes of sonication time had slightly higher tensile properties than GNP/epoxy composites, especially at low filler loading. However, the m-GNP/epoxy composites exhibit percolation threshold value at higher filler loading (0.6 vol%) compared to 0.05 and 0.1 vol% for ch-GNP/epoxy and GNP/epoxy composite, respectively. Morphological analysis via SEM showed a higher degree of dispersion and exfoliation of ch-GNP and m-GNP in the epoxy composites. However, morphological study via transmission electron microscopy (TEM) showed that both ch-GNP and m-GNP size was far smaller than the as received GNP. From the thermal properties, it was found that ch-GNP/epoxy and m-GNP/epoxy composites showed a higher glass transition temperature than GNP/epoxy composites. The GNP-MWCNT/epoxy hybrid composites showed improvement in the tensile properties with increasing concentration of MWCNT compared to GNP. GNP-MWCNT/epoxy hybrid composite with 0.1:0.4 ratio of GNP:MWCNT with total nanofiller volume fraction of 0.5 vol% showed the optimum properties among all composites even higher tensile properties than the unfilled epoxy with highest electrical conductivity of 1.82 × 10-2 S/cm, which is an order of magnitude higher than that of the epoxy composite with 0.5 vol% GNP. Finally, this study involves the use of two different types of epoxy resin using GNP-MWCNT hybrid system on the properties of epoxy hybrid composite. As compared to epoxy-DER (0.1:0.4) hybrid composites, epoxy-Epolam (0.1:0.4) hybrid composites showed lower tensile and thermal properties while the electrical conductivity of the hybrid composite remains very close to that of the pure insulating epoxy-Epolam matrix.