Modelling of Rheological Properties of Carbon Nanotube Suspensions - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2010

Modelling of Rheological Properties of Carbon Nanotube Suspensions

Modélisation des Propriétés Rhéologiques des Suspensions de Nanotubes de Carbone

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Abstract

Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are frequently diluted in solvents with the aim of purify, functionalize and transform them. Control and optimization of those processes in liquid phase require a deep understanding of the rheology of SWNT suspensions. However, there is no consensus about the physical origin of some rheological signatures exhibited by the SWNT suspensions. This thesis is intended to elucidate this question by modelling the linear viscoelastic behaviour of SWNT dilute suspensions by using a Brownian Dynamics (BD) approach. Individual treated SWNT are modelled as semi-flexible filaments with a naturally curved structure due to the existence of side-wall defects. Continuous semi-flexible filament model is discretized as a non-freely jointed multi-bead-rod system with a non-straight configuration at equilibrium. A mechanical coherent re-definition of the discrete bending potential is proposed in order to tackle the naturally bent configurations. The linear viscolastic response of the SWNT-coarse-grained model in dilute suspension is BD-simulated under dynamic and relaxation functions. New relaxation processes, characterised by the activation of a mild elasticity at intermediate frequencies, are observed in the dynamic test mode. On the other hand, a quasi-instantaneous shear-modulus relaxation is obtained after the application of a shear-strain step. Bending-energy relaxation spectra are consistent with the range of dynamic responses proving the consistence of the model in the linear viscoelastic regime. The non-negligeble differences found with respect to the rheological behaviour of naturally straight systems demonstrates that the bending flexibility coupled with the presence of structural bent defects plays an important role on the dynamics of individual SWNTs in suspension.
Les nanotubes de carbone mono-paroi (SWNT) sont souvent dilués dans un solvant afin de les purifier, les fonctionnaliser ou les transformer. Le contrôle de ces processus requiert une compréhension profonde de la rhéologie de leurs suspensions. Cependant, les bases physiques de leur comportement rhéologique ne sont pas absolument claires. Cette thèse a permis d'apporter des réponses au travers de la modélisation de la viscoélasticité linéaire des suspensions diluées de SWNTs en utilisant une approche par la Dynamique Brownienne (DB). Les SWNTs sont modélisés par des filaments semi-flexibles dont la configuration est naturellement courbée due à la présence de défauts structuraux. Le modèle continu de filament semi-flexible est discrétisé en un système multibarre en flexion non-libre ayant une configuration non-droite à l'équilibre. Une redéfinition du potentiel de flexion est effectuée afin de prendre en compte les cas des configurations non-rectilignes. Le comportement en viscoélasticité linéaire de leurs suspensions diluées a été modélisé par DB en mode dynamique et de relaxation. Des nouveaux processus de relaxation caractérisés par l'activation d'une élasticité à fréquences intermédiaires sont constatés en dynamique. D'autre part, une relaxation quasi-instantanée du module de relaxation est obtenue lors de l'application d'un échelon de cisaillement. Les spectres de relaxation de l'énergie de flexion sont en accord avec les réponses dynamiques, ce qui prouve la cohérence du modèle en viscoélasticité linéaire. Les différences non négligeables par rapport au comportement rhéologique des systèmes multibarre droits à l'équilibre démontrent que la flexibilité couplée avec la présence de défauts structuraux de courbure joue un rôle important dans la dynamique d'un SWNT en suspension.
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Dates and versions

pastel-00552038 , version 1 (05-01-2011)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00552038 , version 1

Cite

Camilo Andrés Cruz Bernal. Modelling of Rheological Properties of Carbon Nanotube Suspensions. Materials. Arts et Métiers ParisTech, 2010. English. ⟨NNT : 2010ENAM0046⟩. ⟨pastel-00552038⟩
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