Zusammenfassung
In dieser Studie wurde ein einzigartiges Konzept zur Herstellung von Nanokompositen aus Kohlenstoff-Nanofaserpapier untersucht. Das wesentliche Element dieser Methode bestand darin, Kohlenstoff-Nanofaserpapier mit einer gut kontrollierten und optimierten Netzwerkstruktur aus Kohlenstoff-Nanofasern zu entwerfen und herzustellen. In dieser Studie wurde Kohlenstoff-Nanofaserpapier unter verschiedenen Verarbeitungsbedingungen hergestellt, einschließlich verschiedener Arten von Kohlenstoff-Nanofasern, Lösungsmitteln, Dispergiermitteln und Säurebehandlung. Die Morphologien von Kohlenstoff-Nanofasern innerhalb des Nanofaserpapiers wurden mit Rasterelektronenmikroskopie (SEM) charakterisiert. Zusätzlich wurden die Schüttdichten von Kohlenstoff-Nanofaserpapieren gemessen. Es wurde festgestellt, dass die Dichten und Netzwerkstrukturen von Kohlenstoff-Nanofaserpapier mit der Dispersionsqualität von Kohlenstoff-Nanofasern innerhalb des Papiers korrelierten, die durch die Bedingungen des Papierherstellungsprozesses signifikant beeinflusst wurde.
1. Einleitung
Eine Vielzahl von nanoparticles sind in Polymerharze enthalten worden, um nanocomposites für eine breite Palette von Anwendungen zu machen. Unter ihnen haben Kohlenstoff-Nanoröhren und Kohlenstoff-Nanofasern aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Eigenschaften wie hohe Festigkeit und Modul, niedrige Dichte, hohe Oberfläche, gute chemische Stabilität, hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und Feuerbeständigkeit bedeutende Forschungsinteressen angezogen. Obwohl es verschiedene Verarbeitungstechniken zur Herstellung von Polymer-Nanokompositen gibt, werden sie hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: (a) Lösungsverarbeitung , (b) Schmelzmischen unter Verwendung eines Chargenmischers oder einer kontinuierlichen Vorrichtung wie eines Extruders und (c) In-situ-Polymerisation . Die mechanischen und physikalischen Eigenschaften von Polymer-Nanokompositen weisen aufgrund verarbeitungsbedingter Probleme große Schwankungen auf.Im Allgemeinen bestehen Kohlenstoff-Nanoröhren und Kohlenstoff-Nanofasern aus graphitischen Zylindern mit Durchmessern von 1-100 nm und hohen Aspektverhältnissen von wenigen Mikrolängen, was zu einer hohen Van-der-Waals-Kraft zwischen benachbarten Nanoröhren oder Nanofasern führt. Die hohen Van-der-Waals-Kräfte und hohen Aspektverhältnisse mit einer Kombination aus hohen Flexibilitäten lassen die Nanoröhren und Nanofasern leicht aggregieren. Dadurch ist es schwierig, die Nanoröhren bzw. die Nanofasern einzeln in Polymerharze zu dispergieren. Die Zugabe einer kleinen Menge Kohlenstoff-Nanofasern erhöht auch die Viskosität des Harzes erheblich. Insbesondere bei der Verarbeitung von faserverstärkten Polymerkompositen wird der Harzfluss durch die Fasermatten sehr schwierig. Die Fasermatten filtern auch die Nanoröhren und die Nanofasern während des flüssigen Formteilprozesses wie Harzübertragungsformteil und vakuumunterstütztes Harzübertragungsformteil heraus. Darüber hinaus kann das Vorhandensein der Nanoröhrchen oder Nanofasern das lokale Kristallisationsverhalten von Polymerharzen entweder durch die direkte Polymer/ Partikel-Wechselwirkung an der Grenzfläche oder durch die Modifikation des Temperatur- und Spannungsfeldes um und zwischen den Nanoröhrchen oder Nanofasern signifikant modifizieren.Ein einzigartiges Konzept der Herstellung von nanocomposites vom Kohlenstoff nanofiber Papier ist erforscht worden. Dieser Ansatz beinhaltet die Herstellung von Kohlenstoff-Nanofaserpapier durch Filtration der Suspension von gut dispergierten Kohlenstoff-Nanofasern unter kontrollierten Prozessbedingungen. Ein solches Spezialpapier weist eine einheitliche Netzwerkstruktur auf, die durch die Verschränkung der Nanofasern gebildet wird. Das Kohlenstoff nanofiber Papier kann in traditionelle faserverstärkte zusammengesetzte Laminate durch flüssige Formteilprozesse weiter integriert werden. Die strukturellen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanofaserpapier wie Porengröße und Orientierung können das Eindringen von Polymerharzen erheblich beeinflussen. In dieser Studie wurde die Korrelation zwischen den Morphologien und Verarbeitungsbedingungen des Papiers systematisch untersucht. Insbesondere wurden die Auswirkungen verschiedener Arten von Kohlenstoffnanofasern, Lösungsmitteln, Dispergiermitteln und Säurebehandlungen auf die Mikrostrukturen von Kohlenstoffnanofaserpapier untersucht. Die Verarbeitungsbedingungen wurden gewählt, um Kohlenstoff-Nanofaserpapier mit einer optimalen Struktur herzustellen.
2. Experimenteller
Dampf-gewachsener Kohlenstoff nanofiber wurde von angewandten Wissenschaften, Inc. geliefert., Cedarville, Ohio, Vereinigte Staaten. Es wurden zwei Arten von Kohlenstoff-Nanofasern verwendet: oxidierte Kohlenstoff-Nanofasern (OXCNF) und nicht oxidierte Kohlenstoff-Nanofasern (NOXCNF). Im Vergleich zu NOXCNF hatte OXCNF mehr funktionelle Gruppen wie Hydroxylgruppe (–OH) und Carbonsäure (–COOH). OXCNF und NOXCNF wurden mit verdünnter Salpetersäure gespült. Die säurebehandelten Kohlenstoffnanofasern wurden als RIN-OXCNF und RIN-NOXCNF bezeichnet. Während der Spülung von Kohlenstoff-Nanofasern wurde OXCNF oder NOXCNF zunächst in 2M Salpetersäure bei Raumtemperatur für 2 Stunden gerührt. Anschließend wurde die Lösung über eine 4 m Polycarbonatmembran filtriert und mit Wasser gespült, bis die Salpetersäure vollständig entfernt war. In dieser Studie wurden entionisiertes Wasser (WA), Ethylalkohol (AL) und Aceton (AC) als Lösungsmittel verwendet. Das Dispergiermittel (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Deutschland) wurde verwendet, um die Dispersion von Kohlenstoff-Nanofasern zu unterstützen. Das BYK hatte Aminwerte von 20 mg KOH/g und Säurewerte von 30 mg KOH/g und konnte durch sterische Stabilisierung von Kohlenstoffnanofasern arbeiten.
Kohlenstoff-Nanofaserpapier wurde unter Verwendung der folgenden Verfahren hergestellt. Die behandelten oder aufgenommenen Kohlenstoffnanofasern von 200 mg wurden gemahlen, indem sie in einen Mörser gegeben und eine kleine Menge Lösungsmittel zugegeben wurden. Nach dem Mahlen wurden sie in ein 500 ml Becherglas überführt. und 400 ml Lösungsmittel zugegeben. Die Suspension wurde 20 Minuten lang mit einem Hochintensitätsschallgerät beschallt. Nach der ersten Beschallung wurden sowohl die Lösung als auch die Sonde auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurde die Suspension mit 1 mL BYK versetzt. Die Suspension wurde weitere 20 Minuten unter den gleichen Bedingungen beschallt. Die so hergestellte Suspension ließ man über Nacht absetzen. Es wurden 300 ml Suspension auf der oberen Ebene des Bechers gesammelt. Die restlichen 100 ml Suspension mit einigen Ablagerungen wurden mit 200 ml Lösungsmittel versetzt und weitere 10 Minuten beschallt. Das Kohlenstoff-Nanofaserpapier wurde hergestellt, indem die Suspension durch 0,4 m hydrophile Polycarbonat- oder hydrophobe Teflonmembran unter einem Hochdruckfiltrationssystem filtriert wurde. Das Kohlenstoff-Nanofaserpapier wurde weiter im Ofen bei 120 für 2 Stunden getrocknet. In dieser Studie wurden acht Gruppen von Proben unter verschiedenen Kombinationen von verschiedenen Arten von Kohlenstoff-Nanofasern, Lösungsmitteln, BYK, Suspension oder Ablagerung hergestellt, wie in Tabelle 1 gezeigt. Die Proben von Kohlenstoff-Nanofaserpapier wurden auf der Grundlage ihrer Verarbeitungsbedingungen bestimmt. Beispielsweise stellt RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK dar, dass die Probe aus einer RIN-OXCNF-Suspension in Aceton hergestellt wurde, die mit Hilfe des Dispergiermittels BYK dispergiert wurde. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF und RIN-NOXCNF sind vier Arten von Kohlenstoff-Nanofasern. Es wurden drei Arten von Lösungsmitteln verwendet, darunter Wasser, Alkohol und Aceton. SUS und DEP geben die Proben aus der oberen Suspension bzw. der Lagerstätte an.
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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. Die Variationen in der Dispersionsqualität sind auf die oberflächenfunktionellen Gruppen von OXCNFs zurückzuführen. Die Suspension von OXCNFs in Wasser und Ethylalkohol war stabil. Aber Kohlenstoff-Nanofasern agglomerierten leicht in Aceton, sobald die Beschallung vorbei war. Sowohl Wasser als auch Alkohol sind polar Lösungsmittel als Aceton. Die oxidierte Kohlenstoffnanofaser hat mehr funktionelle Gruppen wie OH, COOH und so weiter in der Lösung. Daher führt die Wechselwirkung zwischen den polaren Gruppen (d. H. Oh-Gruppen auf der Nanofaser und OH-Gruppen von Alkohol oder Wasser) zu einer besseren Dispersionsqualität. Es wurden sechs Proben von Kohlenstoff-Nanofaserpapier hergestellt: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-AND-SUS und OXCNF-AC-DEP. Abbildungen 1(a)-1(e) zeigen die Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Bilder von OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-UND-SUS, OXCNF-WA-DEP und OXCNF-AL-DEP.
(ein) OXCNF-WA-SUS
(ein) OXCNF-AL-SUS
(c) OXCNF-UND-SUS
(d) OXCNF-WA-DEP
(e) OXCNF-AL-DEP
(ein) OXCNF-WA-SUS
) OXCNF-UND-SUS
(c) OXCNF-UND-SUS
(d) OXCNF-WA-DEP
(e) OXCNF-AL-DEP
SEM-Bilder des Kohlenstoff-Nanofaserpapiers: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AND-SUS, OXCNF-WA-DEP und OXCNF-AL-DEP.
Die Abbildungen 1(a) und 1(d) zeigen die REM-Bilder von OXCNF-WA-SUS bzw. OXCNF-WA-DEP. Es ist ersichtlich, dass in Abbildung 1(a) keine großen Partikel zu finden sind. Große Partikel können jedoch in Abbildung 1 (d) deutlich beobachtet werden. Die großen Partikel stammten aus den Aggregaten von Kohlenstoffnanofasern. Kohlenstoff-Nanofasern mit kleineren Durchmessern wurden in OXCNF-WA-SUS dicht gepackt, was zu einer höheren Schüttdichte von OXCNF-WA-SUS führt, wie in Tabelle 2 gezeigt. Die Metallkatalysatorpartikel finden sich sowohl in OXCNF-WA-SUS als auch in OXCNF-WA-DEP.
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Note: (a) Total weight of carbon nanofibers from the suspension and deposit; (b) sample diameter 39 mm. |
Ähnliche Beobachtungen wurden für OXCNF-AL-SUS und OXCNF-AL-DEP gemacht, wie in den Abbildungen 1(b) und 1(e) gezeigt. Es ist schwierig, Kohlenstoffnanofasern einzeln zu dispergieren und zu trennen, und die abgelagerten Kohlenstoffnanofasern wurden zu den Aggregaten. Der Unterschied zwischen Abbildungen 1(d) und 1(e) zeigt an, dass es schwieriger war, Kohlenstoffnanofasern im Alkohol als im Wasser zu trennen. Größere Kohlenstoff-Nanofaser-Aggregate finden sich in Fig. 1(e). Es gibt mehr Kohlenstoff-Nanofasern mit kleineren Durchmessern, die in Abbildung 1 (a) aufgrund einer besseren Dispersion von Kohlenstoff-Nanofasern in Wasser gezeigt werden. Diese Beobachtung kann auch durch Vergleich ihrer in Tabelle 2 angegebenen Gewichte gemacht werden. Etwa 30,5 Gew.-% Kohlenstoff-Nanofasern wurden in OXCNF-AL-DEP abgeschieden. Nur etwa 25,5 Gew.-% Kohlenstoff-Nanofasern wurden in Wasser abgeschieden. Von den Abbildungen 1(a)-1(c) hatte OXCNF-WA-SUS gute Netzstruktur von Kohlenstoff nanofibers, in denen keine großen Kohlenstoff nanofiber Anhäufungen gebildet wurden, und einzelne nanofibers wurden nah innerhalb des Papiers verpackt. Es scheint, dass die Struktur von Kohlenstoff-Nanofaserpapier in OXCNF-AC-SUS besser war als in OXCNF-AL-SUS.
3.2. Wirkungen des Dispergiermittels
Um eine bessere Dispersion von OXCNFs in Aceton zu erhalten, wurde das Dispergiermittel BYK verwendet. Für OXCNF-AC-SUS-BYK und OXCNF-AC-SUS wurde gefunden, dass weniger Kohlenstoff-Nanofasern mit Hilfe des Dispergiermittels abgeschieden wurden, wie in Tabelle 2 gezeigt. Das Dispergiermittel oder Tensid verringert die Grenzflächenspannung oder Oberflächenenergie der Festphase wie Kohlenstoffnanofasern. Sie lassen sich daher relativ leicht im Lösungsmittel lösen. Unter den gleichen Verarbeitungsbedingungen verblieben nur noch 38,5 Gew.-% OXCNFs in der Suspension für OXCNF-AC-SUS but 60.7 gew.-% OXCNF für OXCNF-AC-SUS-BYK. Große Mengen OXCNFs wurden einzeln mit Hilfe von BYK in Aceton dispergiert. Abbildung 2 zeigt die REM-Bilder von OXCNF-AC-SUS-BYK. Im Vergleich zu Abbildung 1 (c) zeigt Abbildung 2 deutlich, dass in OXCNF-AC-SUS-BYK eine einheitlichere Netzwerkstruktur gebildet wurde. In Abbildung 1 (c) bestand Kohlenstoff-Nanofaserpapier nur aus geraden OXCNFs mit größeren Durchmessern. Aber es gab einige gekrümmte OXCNFs mit kleineren Durchmessern in Abbildung 2. Daher könnte die Verwendung von BYK die Dispersion von OXCNFs verbessern.
REM-Bilder von Kohlenstoff-Nanofaserpapier: OXCNF-AC-SUS-BYK.
3.3. Auswirkungen der Säurespülung
Die verdünnte Salpetersäure wurde zum Spülen von Kohlenstoffnanofasern verwendet. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die REM-Bilder von RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS und RIN-OXCNF-WA-DEP. Im Vergleich zu OXCNF-AC-SUS-BYK in Abbildung 2 zeigt Abbildung 3(a) eine einheitliche Netzwerkstruktur ohne große OXCNF-Aggregate. Die Säurespülung verbesserte die Dispersion von OXCNFs innerhalb des aus kurzen und kleinen Nanofasern bestehenden Papiers. Aus Abbildung 1 (a) ist ersichtlich, dass kurze OXCNFs in Bündeln existierten und die Poren von Kohlenstoff-Nanofaserpapier füllten. Das OXCNF-WA-DEP hatte nur 25,5 Gew.-%, RIN-OXCNF-WA-DEP konnte jedoch bis zu 38,9 Gew.-% erreichen, wie Tabelle 2 zeigt. Im Vergleich zu Abbildung 1 (d) zeigt Abbildung 4 (b) mehr Kohlenstoff-Nanofaser-Aggregate, obwohl die Größe der Kohlenstoff-Nanofaser-Aggregate in Abbildung 1 (d) viel größer war. Daraus kann geschlossen werden, dass es nicht notwendig ist, OXCNFs mit der Säurespülung zu behandeln, wenn das Wasser als Lösungsmittel verwendet wird. Die saure Spülung könnte die Dispersion von Kohlenstoff-Nanofasern in Alkohol verbessern und zu einer einheitlichen Netzwerkstruktur führen.
(ein) RIN-OXCNF-UND-SCHWEIN-BYK
(ein) RIN- OXCNF-AC-DEP-BYK
(ein) RIN-OXCNF-UND-SCHWEIN-BYK
) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK
REM-Bilder des Kohlenstoff-Nanofaserpapiers: RIN-OXCNF-AND-PIG-BYK und RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK.
(ein) RIN-OXCNF-WA-SUS
(ein) RIN-OXCNF-WA-DEP
(ein) RIN-OXCNF-WA-SUS
(ein) RIN- OXCNF-WA-DEP
REM-Bilder des Kohlenstoff-Nanofaserpapiers: RIN-OXCNF-WA-PIG und RIN-OXCNF-WA-DEP.
3.4. Auswirkungen von Kohlenstoff-Nanofasern
Es gibt nur sehr wenige aktive chemische Stellen auf der Oberfläche von NOXCNFs. Daher ist es äußerst schwierig, NOXCNFs direkt in Wasser und Aceton zu dispergieren. Die NOXCNFs wurden nach der Beschallung leicht aggregiert. Das gefilterte Kohlenstoff-Nanofaserpapier hatte eine sehr raue Oberfläche. Die NOXCNFs wurden schnell auf dem Boden des Bechers in Wasser abgelagert. Die NOXCNF-Flocken wurden in Aceton gebildet. Um eine stabile Suspension von NOX zu ERHALTENCNFS, ist es notwendig, das Dispergiermittel BYK in Aceton zu verwenden. Abbildung 5 zeigt die Morphologien von NOXCNF-AC-SUS-BYK und RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK. Für NOXCNF-AC-SUS-BYK gab es große NOXCNF-Aggregate, und die Netzwerkstruktur war nicht einheitlich. Für RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK verschwanden jedoch die großen NOXCNF-Aggregate und die Qualität der Netzwerkstrukturen wurde verbessert. Daher verstärkte die saure Spülung die Dispersion von NOXCNF in Aceton.
(a) NOXCNF-UND-SCHWEIN-BYK
(b) RIN-NOXCNF-UND-SCHWEIN-BYK -SCHWEIN-BYK
(a) NOXCNF-UND-SCHWEIN-BYK
(b) RIN-NOXCNF-UND-SCHWEIN-BYKIG-BYK
REM-Bilder des Kohlenstoff-Nanofaserpapiers: NOXCNF-UND-PIG-BYK und RIN-NOXCNF-UND-PIG-BYK.
3.5. Schüttdichten von Kohlenstoff-Nanofaserpapier
Die Schüttdichte ist einer der wichtigen Parameter von Kohlenstoff-Nanofaserpapier. Die Stärke, das Gewicht, der Gewichtsprozentsatz und die Dichte des Kohlenstoff-Nanofaserpapiers werden in Tabelle 2 gezeigt. Die Schüttdichten sind in Abbildung 6 gegen die Probennummer aufgetragen. Es ist ersichtlich, dass alle Proben aus der oberen Suspension höhere Schüttdichten aufwiesen als die aus den Lagerstätten. Dies ist auf die enge Packung einzelner Nanofasern zurückzuführen, die gleichmäßig in der Suspension dispergiert sind. Die Balken 1, 2 und 3 stellen die Proben dar, die aus der Suspension von OXCNF in Wasser, Alkohol und Aceton hergestellt wurden. Die Schüttdichten dieser Proben aus den Lagerstätten nahmen ab, indem sie der Reihenfolge folgten: Wasser, Alkohol und Aceton. Die Probe aus der Alkoholsuspension hat die geringste Schüttdichte. Dies stimmt sehr gut mit den in Abbildung 1 gezeigten REM-Bildern überein. Im Vergleich zu Probe 3 wurde für Probe 4 BYK verwendet. In Probe 5 wurde OXCNF mit der verdünnten Salpetersäure gespült und mit Hilfe von BYK dispergiert. Sowohl BYK als auch Acid Rinse verbesserten die Dispersion von OXCNFs in Aceton. Das gleiche Phänomen wurde für die Proben beobachtet, die aus den wässrigen OXCNF-Lösungen hergestellt wurden, indem die Proben 1 und 6 verglichen wurden. Nach der Säurespülung nahmen ihre Schüttdichten zu. Für NOXCNF haben die Schüttdichten der Proben aus den Lagerstätten keine signifikanten Änderungen. Die saure Spülung erhöhte jedoch ihre Schüttdichten für die Proben aus der Suspension.
Schüttdichten von Kohlenstoff-Nanofaserpapieren.
4. Schlussfolgerungen
Dieses Papier untersuchte systematisch die Verarbeitungs-Struktur-Beziehung von Kohlenstoff-Nanofaserpapier. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Dispersion von Kohlenstoffnanofasern in Lösungsmitteln eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Netzwerkstrukturen von Kohlenstoffnanofaserpapier spielte. Die gute Dispersion führte zu einer engen Packung von Kohlenstoff-Nanofasern, die die gleichmäßige Netzwerkstruktur des Papiers mit einer höheren Schüttdichte bildeten. Die Variationen in der Dispersionsqualität verursachten die Änderungen in den Netzwerkstrukturen und Dichten von Kohlenstoff-Nanofaserpapier. Die Arten von Lösungsmitteln, Dispergiermitteln, Säurespülungen und Arten von Kohlenstoffnanofasern beeinflussten die Dispersionsqualität erheblich. Es wurde gefunden, dass OXCNFs aufgrund der funktionellen Gruppen auf der Faseroberfläche leicht in Wasser und Alkohol dispergiert waren, jedoch nicht gut in Aceton. Obwohl an NOXCNFs nur wenige funktionelle Gruppen vorhanden waren, wurden sie mit Hilfe von Dispergiermittel leicht in Aceton dispergiert. Außerdem verbesserte die Behandlung mit verdünnter Salpetersäure die Dispersion in den Lösungsmitteln. Daher kann die Netzwerkstruktur von Kohlenstoff-Nanofaserpapier durch Auswahl geeigneter Verarbeitungsparameter gesteuert und optimiert werden.
Anerkennungen
Dieses Material basiert auf der Arbeit, die durch das nanomanufacturing-Programm der National Science Foundation unter Bewilligung Nr. 0757302 gestützt wird, das durch Programm-Manager, Dr. Shaochen Chen gehandhabt wird. Die Anerkennung erfolgt auch an Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) Programm unter Grant No. FSU#218007-530-024809-R010689. Alle in diesem Material geäußerten Meinungen, Ergebnisse und Schlussfolgerungen oder Empfehlungen sind die der Autoren und spiegeln nicht unbedingt die Ansichten der National Science Foundation wider.