PLA/carbon nanotubes composites for thermoelectric applications : relationships between elaboration, structure and properties
Composites PLA/nanotubes de carbone pour applications à la thermoélectricité : relations entre élaboration, structure et propriétés
Résumé
In the context of energy recovery, the development of organic thermoelectric materials for converting waste heat into electricity is essential. In this research, the relationships between elaboration process, structure and thermoelectric properties of Polylactic acid/carbon nanotubes (PLA/CNT) nanocomposites have been investigated. Two industrial grades of PLA including one amorphous (A-) and one crystallizable (Sc-) were used as a polymer matrix, and different types of CNT including multi-walled (MWCNT), single-walled (SWCNT), and functionalized single-walled (SWCNT-COOH) were used as fillers.Thick discs of nanocomposites containing different amounts of MWCNT were prepared by two elaboration processes: melt-blending (up to 10 wt% MWCNT) and solution mixing (up to 40 wt% MWCNT). The cross-plane thermoelectric, figure of merit ZT = (S^2)σT/�� of these thick discs were measured at room temperature by measuring the electrical conductivity (σ) with dielectric spectroscopy, the Seebeck coefficient S (also known as “thermoelectric power”) with an in-house built device and the thermal conductivity (��) by laser Flash Analysis (LFA). In this study, the elaboration process and the structure (amorphous or semi-crystalline) of PLA do not significantly affect the thermoelectric properties of the nanocomposites, but the in-plane electrical conductivity (σ) values are 100 to 1000 times higher than the cross-plane values, revealing a strong anisotropy of the thermoelectric properties in these samples. In addition, thin PLA/MWCNT nanocomposite films were elaborated by drop-casting, using the same solution mixing procedure and with the same fillers content as the thick discs. The complete in-plane thermoelectric figure of merit (ZT) has been measured at room temperature by a Thin Film Analyzer (TFA) reveal that the electrical conductivity in thin films is similar to the in-plane values measured on the thick discs.To study the impact of nanotube orientation on thermoelectric performances, uniaxial stretching has been performed on thick specimens at different draw ratios to induce CNT orientation within the A-PLA matrix. The in-plane and cross-plane electrical conductivities of these samples, measured at room temperature, decrease with increasing draw ratio. Particularly, at high draw ratio, a clear difference in surface electrical conductivity has emerged between the measurements taken perpendicular and parallel to the orientation of the CNT. In this case, the parallel conductivity values were found to be 10 times higher than the perpendicular ones.Finally, thin A-PLA based nanocomposite films with different types of CNT fillers (MWCNT, SWCNT, and SWCNT-COOH) were prepared and their in-plane thermoelectric figure of merit (ZT) was measured with the TFA from 300 to 400 K. The results show that SWCNT filler improve the thermoelectric properties of PLA/CNT nanocomposites by 2 orders of magnitude, with a maximum ZT value of 2.3 x 10^-2 for 40 wt% of SWCNT at 300 K compared to 1.2 x 10^-4 for 40 wt% of MWCNT at the same temperature. Moreover, these values are the best values in the literature for thermoplastic-based composites filled with CNT.
Dans un contexte où la récupération d'énergie est devenue un enjeu majeur, le développement de matériaux thermoélectriques organiques pour la conversion de chaleur fatale en électricité est primordial. Dans cette recherche, les relations entre l'élaboration, la structure et les propriétés thermoélectriques de nanocomposites Acide polylactique/nanotubes de carbone (PLA/NTC) ont été étudiées. Deux grades industriels de PLA, l'un amorphe, l'autre cristallisable, ont été utilisés en tant que matrice polymère et différents types de NTC, dont des nanotubes de carbone multi-feuillets (MWCNT), mono-feuillet (SWCNT), et mono-feuillet fonctionnalisés (SWCNT-COOH) ont été utilisés comme charges.Des échantillons de nanocomposites contenant différentes fractions de MWCNT ont été élaborés sous forme de disques « épais » par deux procédés : par mélange en voie fondue (jusqu'à 10 % en masse de MWNTC) et par mélange en solution (jusqu'à 40 % en masse de MWNTC). La figure de mérite thermoélectrique transversale (dans l'épaisseur) ZT = (S^2)σT/�� de ces disques a été déterminée à température ambiante, en mesurant la conductivité électrique (σ) par spectroscopie diélectrique, le coefficient Seebeck S (aussi appelé “pouvoir thermoelectrique”) avec un appareil développé en interne et la conductivité thermique (κ) par Laser Flash Analysis (LFA). Les résultats démontrent que le processus d'élaboration ni la structure du PLA (amorphe ou semi-cristalline) n'a d'impact significatif sur les propriétés thermoélectriques des nanocomposites, mais les valeurs de conductivité électrique (σ) mesurées à la surface (dans le plan) des échantillons sont 100 à 1000 fois plus élevées que les valeurs transversales, révélant une forte anisotropie des propriétés thermoélectriques dans ces échantillons. De plus, des films minces PLA/MWCNT ont été élaborés par « drop-casting », en utilisant la même procédure de mélange en solution et avec la même teneur en charge que les pastilles. La figure de mérite (ZT) mesurée dans le plan à température ambiante par un analyseur de films minces (TFA) a révélé que la conductivité électrique des films minces est similaire aux valeurs mesurées dans le plan sur les pastilles.Pour étudier l'impact de l'orientation des nanotubes sur les performances thermoélectriques, des échantillons épais ont été étirés à différents taux de déformation afin d'induire un alignement des nanotubes au sein de la matrice PLA. Les conductivités électriques, dans le plan et transversale, mesurées à température ambiante, ont montré une diminution des valeurs de σ avec l'augmentation du taux de déformation. En particulier, à taux d'étirage élevé, une nette différence de conductivité électrique de surface est constatée entre les mesures effectuées parallèlement et perpendiculairement à l'orientation des NTC. Dans ce cas, les valeurs de conductivité parallèle se sont révélées être 10 fois supérieures aux valeurs perpendiculaires.Enfin, des films minces de nanocomposites à base de PLA amorphe, avec différents types de NTC (MWCNT, SWCNT, and SWCNT-COOH) ont été préparés, et leur figure de mérite thermoélectrique dans le plan a été mesurée sur une gamme de température comprise entre 300 et 400 K. Les résultats obtenus montrent que les nanotubes de carbone mono-feuillet (SWCNT) améliorent de 2 ordres de grandeur les propriétés thermoélectriques des nanocomposites, comparées aux MWCNT, avec une valeur maximale du facteur de mérite (ZT) de 2.3 x 10^-2 à une concentration de 40 % en masse de SWCNT, à 300 K, comparée à une valeur maximale de 1.2 x 10^-4 pour 40% en masse de MWCNT, à la même température. Ces valeurs de (ZT) sont par ailleurs les meilleures valeurs de la littérature concernant des thermoplastiques chargés en nanotubes de carbone.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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