Abstrakt

unikátní koncept tvorby nanokompozity z uhlíkové nanovlákenné papíru byla zkoumána v této studii. Základním prvkem této metody byl návrh a výroba uhlíkového nanovlákenného papíru s dobře řízenou a optimalizovanou síťovou strukturou uhlíkových nanovláken. V této studii byl papír z uhlíkových nanovláken připraven za různých podmínek zpracování, včetně různých typů uhlíkových nanovláken, rozpouštědel, dispergátorů a ošetření kyselinou. Morfologie uhlíkových nanovláken v nanovlákenném papíru byly charakterizovány skenovací elektronovou mikroskopií (SEM). Kromě toho byly měřeny objemové hustoty uhlíkových nanovlákenných papírů. Bylo zjištěno, že hustoty a struktury sítě z uhlíkové nanovlákenné papíru koreluje s rozptyl kvality uhlíkových nanovláken v rámci papíru, který byl výrazně ovlivněn papírenství podmínky procesu.

1. Úvod

do polymerních pryskyřic byly začleněny různé nanočástice, aby se vytvořily nanokompozity pro širokou škálu aplikací . Mezi nimi, uhlíkové nanotrubičky a uhlíkové nanovlákna přilákaly významné výzkumné zájmy vzhledem k jejich jedinečné vlastnosti a vlastnosti, jako je vysoká pevnost a modul pružnosti, nízkou hustotu, velký povrch, dobrá chemická stabilita, vysoká elektrická a tepelná vodivost a požární odolnost. I když existují různé techniky zpracování pro výrobu polymerních nanokompozitů, které jsou rozděleny především do tří kategorií: (a) řešení zpracování , (b) míchání taveniny pomocí dávkové míchačce nebo kontinuální zařízení, jako jsou extruderu, a (c) in situ polymerace . Mechanické a fyzikální vlastnosti polymerních nanokompozitů mají velké rozdíly v důsledku problémů souvisejících se zpracováním.

Obecně platí, uhlíkové nanotrubičky a uhlíkové nanovlákna se skládají z grafitické válců s průměry 1-100 nm a vysoké poměry na pár mikro délek, což vede k vysoké van der Waalsovy síly mezi sousedními nanotrubice nebo nanovlákna. Vysoké van der Waalsovy síly a vysoké poměry s kombinace vysoké pružnosti se nanotrubice a nanovlákna snadno agregovat. V důsledku toho je obtížné jednotlivě rozptýlit nanotrubice nebo nanovlákna do polymerních pryskyřic. Přidání malého množství uhlíkových nanovláken také významně zvýší viskozitu pryskyřice. Zejména při zpracování polymerních kompozitů vyztužených vlákny se tok pryskyřice vláknovými rohožemi stává velmi obtížným. Vlákno rohože bude také odfiltrovat nanotrubice a nanovlákna během kapalina lití proces, jako je pryskyřice převod tvarování a vacuum-assisted resin transfer molding . Kromě toho, přítomnost nanotrubice nebo nanovláken může výrazně změnit místní krystalizace chování polymerních pryskyřic a to buď prostřednictvím přímé polymer/částice interakcí na rozhraní nebo změna teploty a namáhání v oblasti kolem a mezi nanotrubice nebo nanovlákna.

byl prozkoumán unikátní koncept výroby nanokompozitů z uhlíkového nanovlákenného papíru . Tento přístup zahrnuje výrobu uhlíkového nanovlákenného papíru filtrací suspenze dobře dispergovaných uhlíkových nanovláken za řízených procesních podmínek. Takový speciální papír má jednotnou síťovou strukturu vytvořenou zapletením nanovláken. Uhlíkový nanovlákenný papír může být dále integrován do tradičních kompozitních laminátů vyztužených vlákny prostřednictvím procesů formování kapalin. Strukturální vlastnosti uhlíkového nanovlákenného papíru, jako je velikost pórů a orientace, mohou významně ovlivnit pronikání polymerních pryskyřic. V této studii byla systematicky studována korelace mezi morfologiemi a podmínkami zpracování příspěvku. Konkrétně, účinky různých druhů uhlíkové nanovlákenné, rozpouštědla, disperzant, a kyselina léčby na mikrostruktury z uhlíkové nanovlákenné papíru byly zkoumány. Podmínky zpracování byly zvoleny pro výrobu uhlíkového nanovlákenného papíru s optimální strukturou.

2. Experimentální

parní uhlíkové nanovlákno bylo dodáno od společnosti Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, USA. Byly použity dva typy uhlíkových nanovláken: oxidované uhlíkové nanovlákno (OXCNF) a neoxidované uhlíkové nanovlákno (NOXCNF). Ve srovnání s NOXCNF měl OXCNF více funkčních skupin, jako je hydroxylová skupina (- OH) a karboxylová kyselina (–COOH). Oxcnf a NOXCNF byly opláchnuty zředěnou kyselinou dusičnou. Kyselinou ošetřená uhlíková nanovlákna byla označena jako RIN-OXCNF a RIN-NOXCNF. Během oplachování uhlíkových nanovláken se OXCNF nebo NOXCNF nejprve míchají v 2M kyselině dusičné při pokojové teplotě po dobu 2 hodin. Roztok se potom přefiltruje přes 4 m polykarbonátovou membránu a opláchne se vodou, dokud se kyselina dusičná úplně neodstraní. V této studii byla jako rozpouštědla použita deionizovaná voda (WA), ethylalkohol (AL) a aceton (AC). Dispergátor (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Německo) byl použit na podporu rozptylu uhlíkových nanovláken. BYK měl hodnoty Aminu 20 mg KOH / g a hodnotu kyseliny 30 mg KOH / g a mohl pracovat pomocí sterické stabilizace uhlíkových nanovláken.

uhlíkový nanovlákenný papír byl vyroben pomocí následujících postupů. As-ošetřené nebo tak-obdržel uhlíkových nanovláken 200 mg byly broušené tím, že umístí je do malty a přidáním malého množství rozpouštědla. Po mletí byly přeneseny do 500 mL kádinky. a bylo přidáno 400 mL rozpouštědla. Suspenze byla sonikována pomocí sonikátoru s vysokou intenzitou po dobu 20 minut. Po počáteční sonikaci se roztok i sonda ochladí na pokojovou teplotu. Do suspenze se pak přidá 1 mL BYK. Suspenze byla sonikována dalších 20 minut za stejných podmínek. Takto připravená suspenze se nechala přes noc usadit. Bylo odebráno 300 mL suspenze na horní úrovni kádinky. Zbývající 100 mL suspenze obsahující některé usazeniny se smísí s 200 mL rozpouštědla a sonikuje se dalších 10 minut. Uhlíkový nanovlákenný papír byl vyroben filtrací suspenze přes 0,4 m hydrofilní polykarbonát nebo hydrofobní teflonovou membránu pod vysokotlakým filtračním systémem. Uhlíkový nanovlákenný papír byl dále sušen v peci při 120 po dobu 2 hodin. V této studii bylo vyrobeno osm skupin vzorků za různých kombinací různých typů uhlíkových nanovláken, rozpouštědel, BYK, suspenze nebo depozitu, jak je uvedeno v tabulce 1. Vzorky uhlíkového nanovlákenného papíru byly určeny na základě podmínek jejich zpracování. Například rin-OXCNF-AC-sus-BYK představuje, že vzorek byl vyroben ze suspenze RIN-OXCNF v acetonu, který byl dispergován pomocí dispergátoru BYK. Oxcnf, RIN-OXCNF, NOXCNF a RIN-NOXCNF jsou čtyři typy uhlíkových nanovláken. Byly použity tři typy rozpouštědel včetně vody, alkoholu a acetonu. SUS A DEP označují vzorky z horní suspenze nebo usazeniny.

3. Results and Discussion

3.1. Effects of Solvents

OXCNFs were dispersed in water, ethyl alcohol, and acetone. It was found that OXCNF could be easily dispersed in water and alcohol but not well dispersed in acetone. Rozdíly v kvalitě disperze jsou způsobeny povrchovými funkčními skupinami OXCNFs. Suspenze OXCNFs ve vodě a ethylalkoholu byla stabilní. Ale uhlíkové nanovlákna snadno aglomerovány v acetonu, jakmile sonikace skončila. Voda i alkohol jsou polárnějším rozpouštědlem než aceton. Oxidované uhlíkové nanovlákno má v roztoku více funkčních skupin, jako je OH, COOH atd. OH skupiny na nanovlákenných a OH skupinách alkoholu nebo vody) vede k lepší kvalitě disperze. Bylo vyrobeno šest vzorků uhlíkového nanovlákenného papíru: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-sus, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-AL-DEP a OXCNF-AC-DEP. Obrázky 1(a)-1(e) skenovací elektronová mikroskopie (SEM) obrazy OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-A-SUS, OXCNF-WA-DEP, a OXCNF-AL-DEP, resp.

(a) OXCNF-WA-SUS

(b) OXCNF-AL-SUS

(c) OXCNF-A-SUS

(d) OXCNF-WA-DEP

(e) OXCNF-AL-DEP

(a) OXCNF-WA-SUS
(b) OXCNF-AL-SUS
(c) OXCNF-A-SUS
(d) OXCNF-WA-DEP
(e) OXCNF-AL-DEP

Obrázek 1

SEM snímky z uhlíkové nanovlákenné papíru: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-A-SUS, OXCNF-WA-DEP, a OXCNF-AL-DEP.

Obrázky 1(a)a 1(d) ukazují SEM obrazy OXCNF-WA-SUS a OXCNF-WA-DEP. Je vidět, že na obrázku 1(a) nelze nalézt žádné velké částice. Velké částice však mohou být jasně pozorovány na obrázku 1(d). Velké částice pocházejí z agregátů uhlíkových nanovláken. Uhlíková nanovlákna s menšími průměry byla těsně zabalena do OXCNF-WA-SUS, což má za následek vyšší sypnou hustotu OXCNF-WA-SUS, jak je uvedeno v tabulce 2. Částice kovového katalyzátoru se nacházejí jak v OXCNF-WA-SUS, tak v OXCNF-WA-DEP.

Podobné pozorování bylo provedeno pro OXCNF-AL-SUS a OXCNF-AL-DEP, jak je znázorněno na Obrázcích 1(b) a 1(e). Je obtížné jednotlivě rozptýlit a oddělit uhlíková nanovlákna a uložená uhlíková nanovlákna se stala agregáty. Rozdíl mezi obrázky 1 písm. d) a 1 písm. e) naznačuje, že bylo obtížnější oddělit uhlíková nanovlákna v alkoholu než ve vodě. Větší uhlíkové nanovlákenné agregáty lze nalézt v Figuer 1 (e). Na obrázku 1 písm. a) je více uhlíkových nanovláken s menšími průměry díky lepšímu rozptylu uhlíkových nanovláken ve vodě. Toto pozorování lze také provést porovnáním jejich hmotností uvedených v tabulce 2. V OXCNF-AL-DEP bylo uloženo asi 30,5% hmotnostních uhlíkových nanovláken. Ve vodě bylo uloženo pouze asi 25,5% hmotnostních uhlíkových nanovláken. Z obrázků 1(a) -1 (c) měl OXCNF-WA-SUS dobrou síťovou strukturu uhlíkových nanovláken, ve kterých nebyly vytvořeny žádné velké agregáty uhlíkových nanovláken a jednotlivá nanovlákna byla těsně zabalena do papíru. Zdá se, že struktura uhlíkového nanovlákenného papíru byla lepší v OXCNF-AC-SUS než v OXCNF-AL-SUS.

3.2. Účinky Dispergátoru

aby se dosáhlo lepší disperze OXCNFs v acetonu, byl použit dispergátor BYK. U OXCNF-AC-sus-BYK a OXCNF-AC-sus bylo zjištěno, že pomocí dispergátoru bylo uloženo méně uhlíkových nanovláken, jak ukazuje tabulka 2. Dispergační činidlo nebo povrchově aktivní látka snižuje mezifázové povrchové napětí nebo povrchovou energii pevné fáze, jako jsou uhlíková nanovlákna. Proto mohou být relativně snadno rozpuštěny v rozpouštědle. Za stejných podmínek zpracování zůstalo v suspenzi pro OXCNF-AC-SUS pouze 38,5% hmotnostních Oxcnf, ale 60.7% hmotnostních Oxcnf pro OXCNF-AC-sus-BYK. Velké množství Oxcnf bylo individuálně dispergováno do acetonu pomocí BYK. Obrázek 2 ukazuje sem obrazy OXCNF-AC-sus-BYK. Ve srovnání s obrázkem 1(c) Obrázek 2 jasně ukazuje, že v OXCNF-AC-sus-BYK byla vytvořena jednotnější struktura sítě. Na obrázku 1 písm. c) se uhlíkový nanovlákenný papír skládal pouze z přímých Oxcnf s většími průměry. Ale tam byly některé zakřivené OXCNFs s menšími průměry na obrázku 2. Proto by použití BYK mohlo zlepšit disperzi OXCNFs.

Obrázek 2

SEM snímky z uhlíkové nanovlákenné papíru: OXCNF-AC-SUS-BYK.

3.3. Účinky kyselého máchání

zředěná kyselina dusičná byla použita k oplachování uhlíkových nanovláken. Obrázky 3 a 4 ukazují SEM obrazy RIN-OXCNF-AC-sus-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS a RIN-OXCNF-WA-DEP. Ve srovnání s OXCNF-AC-sus-BYK na obrázku 2 ukazuje obrázek 3(a) jednotnou strukturu sítě bez velkých agregátů OXCNF. Kyselé máchání zlepšilo disperzi Oxcnf uvnitř papíru sestávajícího z krátkých a malých nanovláken. Z obrázku 1(a) je vidět, že krátké Oxcnf existovaly ve svazcích a vyplňovaly póry uhlíkového nanovlákenného papíru. Oxcnf-WA-DEP měl pouze 25,5% hmotnostních, ale RIN-OXCNF-WA-DEP mohl dosáhnout až 38,9% hmotnostních, jak ukazuje tabulka 2. Oproti Obrázku 1(d), viz Obrázek 4(b) ukazuje více uhlíku nanovlákenných agregátů, i když velikost uhlíkové nanovlákenné agregáty na Obrázku 1(d) byl mnohem větší. Lze konstatovat, že není nutné ošetřovat OXCNFs kyselým oplachováním, pokud se voda používá jako rozpouštědlo. Kyselé máchání by mohlo zlepšit disperzi uhlíkových nanovláken v alkoholu a vést k jednotné struktuře sítě.

(a) RIN-OXCNF-A-PRASE-BYK

(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK

(a) RIN-OXCNF-A-PRASE-BYK
(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK

Obrázek 3

SEM snímky z uhlíkové nanovlákenné papíru: RIN-OXCNF-A-PRASE-BYK a RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK.

(a) RIN-OXCNF-WA-SUS

(b) RIN-OXCNF-WA-DEP

(a) RIN-OXCNF-WA-SUS
(b) RIN-OXCNF-WA-DEP

Obrázek 4

SEM snímky z uhlíkové nanovlákenné papíru: RIN-OXCNF-WA-PRASE a RIN-OXCNF-WA-DEP.

3.4. Účinky uhlíkových nanovláken

na povrchu NOXCNFs je velmi málo aktivních chemických míst. Proto je velmi obtížné přímo rozptýlit NOXCNFs ve vodě a acetonu. NOXCNFs byly po sonikaci snadno agregovány. Filtrovaný uhlíkový nanovlákenný papír měl velmi drsný povrch. NOXCNFs byly rychle uloženy na dně kádinky ve vodě. Flokuly NOXCNF byly vytvořeny v acetonu. Aby se získala stabilní suspenze NOXCNFs, je nutné použít dispergační činidlo BYK v acetonu. Obrázek 5 ukazuje morfologie NOXCNF-AC-sus-BYK a RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK. Pro noxcnf-AC-sus-BYK existovaly velké agregáty NOXCNF a struktura sítě nebyla jednotná. Ale pro RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK zmizely velké agregáty NOXCNF a zlepšila se kvalita síťových struktur. Proto kyselé oplachování zvýšilo disperzi NOXCNF v acetonu.

(a) NOXCNF-A-PRASE-BYK

(b) RIN-NOXCNF-A-PRASE-BYK

(a) NOXCNF-A-PRASE-BYK
(b) RIN-NOXCNF-A-PRASE-BYK

Obrázek 5

SEM snímky z uhlíkové nanovlákenné papíru: NOXCNF-A-PRASE-BYK a RIN-NOXCNF-A-PRASE-BYK.

3.5. Objemové hustoty uhlíkového Nanovlákenného papíru

sypná hustota je jedním z důležitých parametrů uhlíkového nanovlákenného papíru. Tloušťka, hmotnost, hmotnostní procento a hustota uhlíkového nanovlákenného papíru jsou uvedeny v tabulce 2. Objemové hustoty jsou vyneseny proti číslu vzorku na obrázku 6. Je vidět, že všechny vzorky vyrobené z horní suspenze měly vyšší objemovou hustotu než vzorky z usazenin. To je způsobeno těsným zabalením jednotlivých nanovláken rovnoměrně rozptýlených v suspenzi. Tyče 1, 2 a 3 představují vzorky vyrobené ze suspenze OXCNF ve vodě, alkoholu a acetonu. Objemové hustoty těchto vzorků z usazenin se snížily podle pořadí: voda, alkohol a aceton. Vzorek z alkoholové suspenze má nejnižší sypnou hmotnost. To velmi dobře souhlasí s obrázky SEM zobrazenými na obrázku 1. Ve srovnání se vzorkem 3 byl BYK použit pro vzorek 4. Ve vzorku 5 byl OXCNF opláchnut zředěnou kyselinou dusičnou a dispergován pomocí BYK. BYK i kyselé oplachování zlepšily disperzi Oxcnf v acetonu. Stejný jev byl pozorován u vzorků vyrobených z vodných roztoků OXCNF porovnáním vzorků 1 a 6. Po kyselém opláchnutí se jejich objemová hustota zvýšila. U NOXCNF nemají objemové hustoty vzorků z ložisek žádné významné změny. Kyselé oplachování však zvýšilo jejich objemovou hustotu pro vzorky ze suspenze.

Obrázek 6

velké hustoty oxidu nanovlákenných papíry.

4. Závěry

tento článek systematicky zkoumal vztah zpracování a struktury uhlíkového nanovlákenného papíru. Je jasně vidět, že disperze uhlíkových nanovláken v rozpouštědlech hrála důležitou roli při určování síťových struktur uhlíkového nanovlákenného papíru. Dobrá disperze vedla k uzavření balení uhlíkových nanovláken, která tvořila jednotnou síťovou strukturu papíru s vyšší sypnou hustotou. Změny v kvalitě disperze způsobily změny v síťových strukturách a hustotách uhlíkového nanovlákenného papíru. Typy rozpouštědel, dispergační činidlo, kyselé máchání a typy uhlíkových nanovláken významně ovlivnily kvalitu disperze. Bylo zjištěno, že Oxcnf byly snadno dispergovány ve vodě a alkoholu, ale ne dobře v acetonu kvůli funkčním skupinám na povrchu vláken. Ačkoli na NOXCNFs bylo málo funkčních skupin, byly snadno dispergovány v acetonu pomocí dispergátoru. Kromě toho ošetření zředěnou kyselinou dusičnou zlepšilo disperzi v rozpouštědlech. Proto může být síťová struktura uhlíkového nanovlákenného papíru řízena a optimalizována výběrem vhodných parametrů zpracování.

Poděkování

Tento materiál je založena na práci s podporou National Science Foundation nanovýrobu programu v rámci Grantu no. 0757302 spravuje program manager, Dr. Shaochen Chen. Uznání je také uděleno programu Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) pod grantem č. FSU#218007-530-024809-R010689. Jakékoliv názory, zjištění a závěry a doporučení vyjádřené v tomto materiálu jsou názory autorů a nemusí nutně odrážet názory National Science Foundation.