Grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin çeşitliözelliklerinin incelenmesi
Investigating various properties of graphene oxide doped polymer nanocomposites
Yazar: OĞUZKAN ŞENTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM MEHMET PALABIYIK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
GO veya diğer nano katkı malzemelerinin polimer matrisinde kullanılmasındaki en büyük zorluklardan biri homojen olmayan dağılım ve topaklanmadır. In situ polimerizayon vede eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonu iyi dağılmış GO katkılı polimer nanokompozitlerin elde edilmesi açısından umut vericidir. Bu nedenle takdim edilen doktora tezi, GO'nun sahip olduğu özellikleri polimer nanokompozit elde ederken etkili bir şekilde aktarabilme hedefiyle iki çalışma etrafında şekillenmiştir. İlk çalışmada in situ polimerizayon ile imal edilen PA6/GO nanokompozitlerin karakterizasyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir. İkinci çalışmada, eriyik ve solvent karıştırma yöntemlerinin kombinasyonuyla imal edilen PA6/HDPE+GO polimer karışım nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri incelenmiştir.
İlk çalışmada, PA6/GO nanokompozitleri 4 farklı karışım oranında in situ polimerizasyonla elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerinin karakterizsyon, termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir:
XRD bulguları, GO'nun tipik kırınma pikinin ortadan kalktığını göstermiştir. Kristal tipinin değişmesi PA6 zincirlerinin GO üzerine etkili bir şekilde aşılandığını göstermektedir. XPS sonuçları, GO/PA6 elemental taramasından elde edilen güçlü N1s sinyali, C1s dekonvolüsyon pikleri ile birlikte değerlendirildiğinde, GO'in PA6 ile aşılandığını göstermiştir. GO/PA6 ve GO FT-IR spektrumları karşılaştırıldığında yeni pikler ortaya çıkmıştır. Elde edilen pikler, yeni ara moleküler bağlardan kaynaklanan GO'daki konformasyonel değişikliklerin, PA6 zincirlerinin GO üzerine aşılandığını ortaya koymaktadır. Raman spektrumu, PA6'nın GO'ya aşılanmasının GO/PA6'nın G modunu genişlettiğini göstermiştir. Ayrıca, artan kusur için kabul edilen gösterge olan ID/IG oranının, GO'ya kıyasla arttığını ortaya koymaktadır. AFM verilerine göre, karboksilik asit ve amino asit grupları arasındaki reaksiyon, 10,8 nm tarama yüksekliğinde görüldüğü gibi PA6'nın GO yüzeyine başarılı bir şekilde bağlandığını göstermektedir. 
PA6 ve PA6/GO nanokompozitlerinin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO ağırlık oranının artmasıyla genel kristalleşme derecesinin (%Xc) azaldığını göstermiştir Ayrıca, PA6 ve PA6/GO nanokompozitleri için soğutma DSC eğrileri, iyi dağılmış GO'nun çekirdeklenme ajanı olarak işlev gördüğünü ve PA6 ile etkileşime girerek daha yüksek bir kristalleşme sıcaklığına yol açtığını göstermiştir. TGA sonuçları, GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde önemsiz bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme sağladığını göstermiştir. 
Bulgular, PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerin elastisite modülü ve maksimum çekme mukavemetinin GO ağırlık oranının artmasıyla arttığını göstermiştir. Kopma uzaması verileri değerlendirildiğinde, artan GO ağırlık oranı sonucunda sertlik artmakta, polimer hareketliliği sınırlanmakta ve kopma uzaması azalmaktadır. PA6/GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. SEM sonuçları, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin homojen dağılma ve kimyasal etkileşim sonucu meydana geldiğini göstermektedir. PA6'ya kıyasla, nanokompozitlerin eğilme gerilmesi ve modül değerleri GO içeriği arttıkça önemli ölçüde artmıştır. Bu iyileştirme yine rijit GO kullanılarak elde edilmiştir. Çentikli Charpy darbe testi sonuçlarına göre nanokompozitlerdeki her GO içeriğinin PA6'ya göre darbe mukavemetini arttığını göstermektedir. Kopma uzaması sonuçlarıyla uyumlu olarak fazla miktarda GO'nun PA6/GO nanokompozitlerinin darbe mukavemetini artırmadığı sonucuna varılabilir.
DMA malzemelerin viskoelastik özelliklerini belirlemekte kullanılan en önemli deney yöntemlerinden biridir. Sıcaklığın depolama modülü üzerine etkisi çok net görülmüştür. Depolama modülleri sıcaklığın etkisi ile sürekli olarak azalmıştır. Buna karşın nanokompozitlerinin depolama modülü, PA6'ya göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Maksimum Tan Delta değerinin azaldığını ve camsı geçiş sıcaklığının (Tg) PA6 matrisindeki homojen GO dağılımı ve etkileşimi sonucunda arttığı görülmüştür.
PA6/GO nanokompozitleri sürtünme katsayısı eğrilerinin, sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla azalmıştır. GO'nun PA6 ile birleştirilmesi, sürtünme katsayısında önemli bir azalmaya neden olmuştur. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin GO ağırlık yüzdesi arttıkça arttığı gösterilmiştir. GO'nun homojen dağılımı ve güçlü PA6 monomer zinciri etkileşimleri ile GO'nun üstün termal özelliklerinin etkili bir şekilde aktarılmasını sağlamıştır. Ayrıca, sürtünme testleri sırasında ölçülebilir noktadan ara yüzü gösteren termal görüntüleme kamera sonuçlarına göre GO'nun PA6 ile birleşmesi sürtünme sıcaklıklarının düşmesine katkı sağlamıştır. PA6'ya kıyasla PA6/GO nanokompozitlerinin istisnai derecede iyi aşınma direnci olduğu vurgulanmalıdır. Herhangi bir sürtünme mesafesindeki aşınma hacmi PA6'dan daha küçüktür. PA6'ya kıyasla, PA6/GO nanokompozitleri artan GO içeriği ile çelik karşı yüzeyde sürekli ve düz bir transfer filmi oluşturmuştur. PA6 için derin oyuklar şeklinde görülen abraziv aşınma mekanizmasının baskın aşınma mekanizması olduğu bulunmuştur. GO'nun ağırlıkça % 0,5'inden sonra elde edilen nispeten düz ve pürüzsüz aşınma yüzeyleri, aşınma şeklinin adaziv aşınmaya dönüştüğünü göstermektedir. PA6/GO nanokompozitlerinde GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızları azalmış ve her yük için PA6'ya göre önemli ölçüde daha düşük aşınma hızları elde edilmiştir. PA6/GO nanokompozitlerin aşınma hızının, kayma hızı yükseldikçe arttığı görülmüştür. Aşınma hızları, kayma hızının azalmasıyla önemli ölçüde azalmamıştır. Çünkü transfer film oluşturma yeteneği sınırlı olan PA6, zaten belirgin şekilde metal pürüz tepelerine maruz kalmaktadır. Sürekli ve sabit bir transfer film oluşması aşınma hızını azalmasına neden olmuştur. 
İkinci çalışmada, polimer karışım nanokompozitleri, PA6, HDPE, MAPE ve GO kullanılarak 5 farklı formülasyonla hazırlanmıştır. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal, mekanik, viskoelastik ve tribolojik özellikleri şu şekilde incelenmiştir:
PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin DSC sonuçları karşılaştırılmıştır. GO içeriğinin artması, erime sıcaklıkları üzerinde önemsiz bir etkiye sahiptir. GO ağırlık oranının artmasıyla nanokompozitlerin kristalliği azalmıştır. GO konsantrasyonunun bozunma sıcaklığı (Td) üzerinde hafif bir etkisi olduğunu ve termal kararlılıkta çok az bir iyileşme olduğunu göstermiştir. İmal edilen nanokompozitlerin istenilen ağırlık oranında GO içerip içermedikleri yüzde ağırlık azalmalarıyla tatmin edici bir şekilde gösterilmiştir.
PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin çekme testi sonuçları, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine dahil edilmesinin PA6/HDPE'e göre hem elastisite modülünü hem de maksimum çekme mukavemetini artırdığını göstermektedir. Bu iyileştirme doğrudan GO ağırlık oranıyla ilgilidir. Kopma uzaması verileriyle birlikte değerlendirildiğinde, rijit GO'nun PA6/HDPE deformasyonunu sınırladığını PA6/HDPE'ye göre önemli ölçüde azalma ölçülmüştür. PA6/HDPE+GO nanokompozit numunelerin çekme testi sonrasında kopma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. GO ağırlık oranının artmasıyla ara yüzey adezyon mukavemetinin önemli ölçüde yükseldiği görülmüştür. Bu gözlemler, gerilme özelliklerindeki iyileşmenin GO'nun matris içerisindeki homojen dağılımın neden olduğunu göstermektedir. Nanokompozitlerin, GO içeriği arttıkça PA6/HDPE'ye göre artan eğilme gerilmesi ve modül değerleri sergilediği görülmektedir. Bu iyileştirme, çekme deneylerinde olduğu gibi rijit GO'nun kullanımıyla elde edilmiştir. Charpy darbe testi sonuçları, nanokompozitlerde her GO içeriği için darbe mukavemetinin PA6/HDPE'ye göre azaldığını göstermektedir. Darbe mukavemeti, çatlak ilerlemesini kolaylaştıran ve gerilme transfer yolunu kısıtlayan oldukça sert GO varlığı nedeniyle düşmüştür. GO içeriğinin artırılmasının, PA6/HDPE+GO nanokompozit enerji emme yeteneğini azalttığı sonucuna varılabilir.
Nanokompozitlerin depolama modülü, PA6/HDPE göre tüm sıcaklıklarda GO içeriğinin artmasıyla artış göstermiştir. Depolama modülündeki bu artış, GO'nun PA6/HDPE matrisine eklenmesiyle elde edilen sertlikle ilişkilendirilmektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitlerin maksimum Tan Delta değerinin azaldığını; camsı geçiş sıcaklığının (Tg) ise GO'nun varlığı ve PA6/HDPE matrisindeki homojen dağılımı ile arttığı gözlenmiştir. 
Sürtünme katsayısı eğrilerinin sürekli sürtünme katsayısına geçiş mesafesi, nanokompozitlerdeki GO miktarının artmasıyla hızlanmıştır. Nanokompozitlerdeki GO konsantrasyonunun artması, sürtünme katsayılarının azalmasına neden olmuştur. PA6/HDPE'ye kıyasla GO ağırlık oranının artmasıyla PA6/HDPE+GO nanokompozitlerinin termal iletkenliklerinin yükseldiğini göstermektedir. Bu artış, GO'nun homojen dağılımı ve GO'nun olağanüstü termal özelliklerinin verimli bir şekilde aktarmasıyla sağlamıştır. Artan ısı iletim katsayısı, sürtünme ısısının hızlı bir şekilde dağılmasına katkıda bulunmuştur, bu da GO ağırlık oranının artışıyla sürtünme sıcaklıklarının azalmasına katkı sağlamıştır. PA6/HDPE'ye göre, GO'nun PA6/HDPE nanokompozitlerine eklenmesi, çelik karşı yüzeyler üzerinde son derece homojen ve sürekli bir transfer filmi oluşturmuştur ve GO konsantrasyonu arttıkça transfer film oluşumu iyileşmiştir. Aşınma yüzeylerinden elde edilen SEM mikrografları, GO içeriğinin artmasının nanokompozitlerin aşınma direncini önemli ölçüde artırdığı açıktır. %0.25 GO içeriğinden sonra aşınma biçimi abraziv aşınmadan adeziv aşınma yönünde değiştiğini göstermektedir. PA6/HDPE+GO nanokompozitleri için GO içeriğinin artmasıyla aşınma hızlarının düştüğü ve PA6/HDPE'nin aşınma hızlarına kıyasla daha düşük aşınma hızları elde edildiğini göstermektedir. Sürtünme katsayıları ve transfer film sonuçları ile uyumlu bir şekilde, iyi dağılmış rijit GO, ağırlık oranı arttıkça, rijitlik ve yük taşıma yeteneklerini artırarak aşınma hızlarını azaltmıştır. Ayrıca sürtünme tarafından üretilen ısının azalması nedeniyle PA6/HDPE+GO nanokompozitler, karşı yüzey üzerindeki sürekli ve kararlı bir transfer film oluşturmuştur. Bu, aşınma hızını azaltmaya yardımcı olmuştur.

Abstract:
One of the primary obstacles encountered when incorporating GO or other nanomaterials into the polymer matrix is to the issue of non-uniform dispersion and agglomeration. The utilization of a hybrid approach involving in situ polymerization, as well as melt and solvent mixing techniques, shows great potential in creating polymer nanocomposites with uniformly dispersed GO particles. This doctoral thesis is structured around two investigations in order to facilitate the successful transfer of the characteristics of GO in the process of producing polymer nanocomposites. The initial investigation focused on analyzing the characterization, thermal behavior, mechanical performance, viscoelastic properties and tribological features of PA6/GO nanocomposites produced by in situ polymerization. The second study investigated the thermal, mechanical, viscoelastic, and tribological properties of PA6/HDPE+GO polymer blend nanocomposites produced using a combination of melt and solvent mixing techniques.
PA6/GO nanocomposites were produced using in situ polymerization using four distinct weight ratios. To produce PA6/GO nanocomposites, a reactor with a capacity of 500 ml, equipped with mechanical stirring and temperature control, was utilized. The in situ polymerization process was conducted using the formula commonly described in the literature. The nanocomposites were chopped into small pieces. Successfully prepared and dried nanocomposites were immediately loaded into the Xplore MC 15HT micro compounder. Extrudate nanocomposites were taken to the Xplore IM 12 micro injection molder transfer cylinder to prepare test samples. To prepare samples for the characterization tests carried out to determine whether the in situ polymerization process was carried out successfully, 100 g of chopped nanocomposite left over from injection molding.
A polymer blend nanocomposites were produced, employing five distinct formulas that incorporated PA6, HDPE, MAPE, and GO. In order to acquire polymer blend nanocomposites of PA6/HDPE+GO, the initial step was the preparation of a PA6/GO masterbatch containing 2% GO content. In the process of preparing the PA6/GO masterbatch, a temperature-controlled mechanical mixer with a capacity of 5 liters was employed. The mixture of PA6 and GO was introduced into the Gelimat. The PA6/GO sheet underwent granulation by the utilization of a blade mill, resulting in the formation of a masterbatch comprising 2 wt% GO. The dried nanocomposites were introduced into a Gulnar twin screw extruder. In order to achieve five distinct concentrations of GO, a masterbatch with a weight ratio of 2% was diluted and subsequently incorporated into the extrusion procedure. Following the extrusion process, test samples were fabricated utilizing the Haitian PL860 injection molding machine.
In the first study, the thermal, mechanical, viscoelastic and tribological properties of PA6/GO nanocomposites were examined as follows:
XRD analysis revealed the absence of the characteristic diffraction peak associated with GO. The observed alteration in crystal structure suggests successful grafting of PA6 chains onto GO. The XPS analysis revealed that GO was successfully grafted with PA6. This conclusion was drawn by considering the strong N1s signal observed in the elemental scan of the GO/PA6 sample, in conjunction with the deconvolution peaks obtained from the C1s spectrum. By comparing the GO/PA6 and GO FT-IR spectra, it was observed that new peaks became apparent. The observed peaks indicate that conformational alterations in GO occur due to the production of new molecular bonds, which are then incorporated into GO through the presence of PA6 chains. The Raman spectrum analysis revealed that the grafting of PA6 onto GO resulted in the broadening of the G mode of the GO/PA6 composite. Additionally, it is evident that the ID/IG ratio, which is widely recognized as a sign of increased defect, exhibits a rise in comparison to GO. Based on the AFM data, it can be observed that the interaction between the carboxylic acid and amino acid groups results in the effective binding of PA6 to the surface of GO. This binding is evident when examining the AFM scan at a height of 10.8 nm.
A comparison was conducted between the DSC values of PA6 and PA6/GO nanocomposites. The findings indicated a negative correlation between the weight ratio of GO and the overall degree of crystallization (Xc%). This explains the interaction between PA6 and GO, demonstrating that GO imposes a decreasing effect on the mobility of PA6 polymer chains within the crystalline structure. Additionally, the cooling DSC profiles of PA6 and PA6/GO nanocomposites demonstrated that the uniformly dispersed GO particles serve as nucleating agents and engage in interactions with the PA6 matrix, resulting in an increased crystallization temperature. The TGA data indicate that the most notable decreases in mass were observed within the temperature range of 350 °C to 475 °C. The results indicated that the concentration of GO had very little effect on the decomposition temperature (Td) and yielded only a minor enhancement in thermal stability.
The results indicated that the modulus of elasticity and tensile strength of PA6/GO nanocomposites exhibited an increase as the weight ratio of GO increased, in comparison to PA6. However, this increasing trend did not continue as expected after 0.5% GO weight ratio. With evaluation of the elongation at break data, it was observed that decrease became more pronounced in the case of PA6+1GO. Consequently, the observed outcome is an increase in hardness, accompanied by a restriction in polymer mobility and a decrease in elongation at break. The examination of the fracture surfaces of PA6/GO nanocomposite samples was conducted. The regions of higher brightness observed in the SEM images can be attributed to the variations in height resulting from the elongation that take place during the rupture process. The SEM findings demonstrate that the enhancement in tensile characteristics arises from the uniform dispersion and chemical interaction. The nanocomposites exhibited significant increases in bending stress and modulus values with the increase in GO content, when compared to PA6. The enhancement was once again accomplished by the utilization of rigid GO. The bending stress and modulus outcomes exhibited similarity to the results of the tensile test. Based on the findings of the notched Charpy impact test, it can be observed that the presence of GO in the nanocomposites leads to an enhancement in impact strength when compared to PA6. Furthermore, it is observed that a large amount of GO does not contribute to an improvement in the impact strength of PA6/GO nanocomposites.
DMA holds significant importance for assessing the viscoelastic characteristics of various materials. The observed relationship between temperature and the storage modulus was evident. The decrease in storage modules can be attributed to the impact of temperature. In contrast, it was shown that the storage modulus of nanocomposites exhibited an upward trend as the GO concentration increased in comparison to PA6 throughout all temperature ranges. The study revealed a drop in the maximum Tan Delta value and an increase in the glass transition temperature (Tg) due to the uniform distribution and interaction of GO within the PA6 matrix.
The first part of the friction coefficient curves for PA6/GO nanocomposites demonstrates the initial friction, whereas the subsequent part illustrates a constant friction coefficient. The increase in the percentage of GO in the nanocomposites led to a reduction in the transition distance of the friction coefficient curves to the continuous friction coefficient. The experimental findings indicate that PA6 exhibits a noticeably higher coefficient of friction in comparison to PA6/GO nanocomposites. The combination of GO and PA6 demonstrated a notable reduction in the friction coefficient. The experimental results revealed that the thermal conductivities of PA6/GO nanocomposites exhibited an upward trend with increasing weight percentage of GO, as evidenced by the observed values of thermal diffusivity (α), specific heat capacity (Cp), and density (ρ). This indicates that the incorporation of GO into PA6 led to an enhancement in thermal conductivity compared to PA6. The effective transmission of better thermal characteristics in this study was facilitated by the homogenous distribution of GO and the strong interactions between GO and the monomer chains of PA6. Furthermore, the thermal imaging camera findings revealed the interface from a quantifiable standpoint during the friction testing. The incorporation of GO with PA6 resulted in reduced friction coefficients, hence mitigating frictional heat and leading to a decline in frictional temperatures. It is important to highlight that PA6/GO nanocomposites exhibit significantly enhanced wear resistance in comparison to PA6. The wear volume seen at any given friction distance is comparatively less in the case of PA6. By examination of the wear marks present on the surfaces of the discs, it becomes evident that PA6 is incapable of generating a continuous transfer film. The wear volume graph of PA6 demonstrates a linear decline in material due to the PA6 steel surface exposure. When comparing PA6 with PA6/GO nanocomposites, it was observed that the latter exhibited an increase in the formation of a continuous and flat transfer film on the steel counter surface when the GO content was increased. The application of the transfer film served to decrease the contact between the pin surfaces and the sharp metal asperity peaks by concealing the worn markings on the steel disc that were caused by surface finishing procedures. The investigation focused on analyzing the surface morphologies of PA6/GO nanocomposites that have experienced wear. The primary wear mechanism seen in PA6 was determined to be abrasive wear, specifically in the form of deep pits. When considering the mechanical test outcomes in together, it becomes evident that the increase of GO content effectively enhances stress transmission, impedes crack formation and propagation, and substantially enhances the wear resistance of nanocomposites. The wear surfaces seen with the addition of 0.5% by weight of GO have a reasonably flat and smooth appearance, suggesting a transition to adhesive wear. The wear rates of both PA6 and PA6/GO nanocomposites exhibit an upward trend when the load is increased. Conversely, when the GO content in PA6/GO nanocomposites increased, the wear rates exhibited a reduction, resulting in significantly reduced wear rates in comparison to PA6 for every applied stress. In accordance with the established friction coefficient, volumetric wear, and transfer film findings, the presence of uniformly distributed stiff GO particles led to an increase in hardness and load bearing capacity as the weight ratios increased. Consequently, this led to a reduction in wear rates. The experimental findings indicate that there is a positive correlation between the sliding speed and the wear rate of PA6/GO nanocomposites. The decrease in sliding speed did not result in a significant reduction in wear rates. Due to the inherent limitations of PA6 in forming a transfer layer, it is observed that the material is already subjected to substantial metal asperity peaks. Furthermore, the incorporation of PA6/GO nanocomposites resulted in a reduction in heat generation during friction. This reduction facilitated the formation of a continuous and stable transfer film, thereby mitigating the adverse consequences associated with elevated interface temperatures. The wear rate was shown to reduce as a result of the creation of a continuous and stable transfer coating.
In the second study, the thermal, mechanical, viscoelastic and tribological properties of PA6/HDPE+GO nanocomposites were examined as follows:
The DSC findings of nanocomposites consisting of PA6/HDPE+GO were compared to comparison. The increase of GO content exhibits minimal impact on the melting temperatures. The crystallinity of the nanocomposites exhibited a decrease as the GO weight ratio increased. This observation indicates a favorable interaction between PA6/HDPE and GO. The TGA results indicated that the temperature range of 350 °C to 450 °C exhibited the most substantial reductions in mass. The results indicate that variations in the concentration of GO had little effect on the decomposition temperature (Td) and yielded only a minor enhancement in thermal stability. The sufficiency of the weight reductions in determining the presence of GO at the intended weight ratio in the produced nanocomposites has been effectively established.
The experimental findings indicate that the presence of GO in PA6/HDPE nano composites leads to an enhancement in both the modulus of elasticity and tensile stress when compared to PA6/HDPE alone. This enhancement has a clear correlation with the GO weight ratio. When the elongation at break data was considered together, a notable drop was observed in comparison to PA6/HDPE. This decrease was evident even in the nanocomposite containing a 0.1% weight ratio of GO, indicating that the presence of stiff GO restricted the deformation of PA6/HDPE. The examination of the fracture surfaces of PA6/HDPE+GO nanocomposite samples was conducted subsequent to the application of a tensile test. A significant improvement in interfacial adhesion strength was observed when the weight ratio of GO increased. The previous results suggest that the enhancement in tensile capabilities can be attributed to the uniform dispersion of GO throughout the matrix. This facilitates the efficient transfer of GO's exceptional mechanical characteristics. The observation reveals that as the GO concentration increases, the nanocomposites demonstrate a notable enhancement in both bending stress and modulus values in comparison to PA6/HDPE. The enhancement was accomplished with the utilization of inflexible GO in the tensile experiments. The Charpy impact test results indicate a decrease in impact strength for each GO component in the nanocomposites when compared to PA6/HDPE. The presence of GO, which possesses a high degree of hardness, has resulted in a drop in impact strength. This decrease can be attributed to the facilitation of crack propagation by GO and the restriction it imposes on the stress transfer path. The findings suggest that the energy absorption capacity of PA6/HDPE+GO nanocomposite is diminished with the increase in GO content.
The storage modulus of nanocomposites exhibited a positive correlation with the concentration of GO throughout all temperature ranges, in contrast to the PA6/HDPE composite. The observed increase in storage modulus can be attributed to the enhanced hardness resulting from the incorporation of GO into the PA6/HDPE composite matrix. The Tan Delta value of PA6/HDPE+GO nanocomposites exhibited a decrease in its maximum value. Furthermore, it was discovered that the inclusion of GO and its uniform dispersion within the PA6/HDPE matrix led to an increase in the glass transition temperature (Tg).
The transition distance of the friction coefficient curves exhibited an accelerated trend as the quantity of GO in the nanocomposites increased. The increase of GO concentration inside nanocomposites resulted in a reduction in the friction coefficients. Based on the obtained values of thermal diffusivity (α), specific thermal capacity (Cp), and density (ρ), it can be shown that the thermal conductivity of PA6/HDPE+GO nanocomposites exhibits an increase when the weight ratio of GO increases in comparison to PA6/HDPE. The observed enhancement facilitated the uniform dispersion of GO and the effective transmission of GO's exceptional thermal characteristics. The inclusion of GO in the PA6/HDPE matrix resulted in reduced friction coefficients. This reduction in friction coefficients led to a decrease in friction temperatures by minimizing the generation of friction heat. Furthermore, the augmented heat conduction coefficient played a role in facilitating the swift dissipation of friction-generated heat, hence leading to a reduction in friction temperatures as the weight percent of GO rose. In comparison to PA6/HDPE, the incorporation of GO into PA6/HDPE nanocomposites resulted in the production of a transfer film that exhibited a high level of homogeneity and continuity on the steel counter surfaces. Furthermore, the effectiveness of transfer film creation was found to increase with higher concentrations of GO. The capacity to generate a transfer film accelerates the transition from initial wear to sustained wear, resulting in diminished rates of wear. When evaluating the SEM micrographs acquired from the wear surfaces in conjunction with the mechanical test results, it becomes evident that an increase of GO content effectively enhances stress transfer, restricts crack initiation and propagation, substantially enhances the interfacial bonding strength, and significantly improves the wear resistance of nanocomposites. The observed phenomenon indicates that there is a transition in the wear pattern from abrasive wear to adhesive wear once the GO concentration reaches 0.25%. The data demonstrates that with an increase in GO content in PA6/HDPE+GO nanocomposites, there is a corresponding drop in wear rates. Furthermore, the wear rates observed in PA6/HDPE+GO nanocomposites are lower in comparison to those observed in PA6/HDPE nanocomposites. In accordance with the observed friction coefficients and transfer film outcomes, the incorporation of uniformly distributed GO particles led to a reduction in wear rates as the weight ratio of GO increased. This effect can be attributed to the enhanced stiffness and improved load-carrying capacity imparted by the presence of GO. Furthermore, the PA6/HDPE+GO nanocomposites were able to generate a consistent and continuous transfer film by mitigating the adverse impact of temperature on the opposing surface, mostly through the decrease in friction-induced heat. This intervention contributed to a decrease in the rate of deterioration. As the weight ratio of GO in nanocomposites increased, there was an observed development in the stiffness of the nanocomposites, which subsequently led to higher wear rates.