Abstrakti

tässä tutkimuksessa selvitettiin ainutlaatuista käsitystä nanokomposiittien valmistamisesta hiilinanokuitupaperista. Oleellinen osa tätä menetelmää oli suunnitella ja valmistaa hiilinanokuitupaperia, jossa on hyvin hallittu ja optimoitu hiilinanokuitujen verkkorakenne. Tässä tutkimuksessa hiilinanokuitupaperia valmistettiin erilaisissa käsittelyolosuhteissa, mukaan lukien erilaiset hiilinanokuidut, liuottimet, dispergointiaineet ja happokäsittely. Nanokuitupaperin sisältämien hiilinanokuitujen morfologioille oli ominaista pyyhkäisyelektronimikroskopia (sem). Lisäksi mitattiin hiilinanokuitupapereiden irtotiheyksiä. Havaittiin, että hiilinanokuitupaperin tiheydet ja verkostorakenteet korreloivat hiilinanokuitujen hajontalaatuun paperin sisällä, mihin paperinvalmistusprosessiolosuhteet vaikuttivat merkittävästi.

1. Johdanto

polymeerihartseihin on sisällytetty erilaisia nanohiukkasia nanokomposiittien valmistamiseksi monenlaisiin sovelluksiin . Niistä hiilinanoputket ja hiilinanoputket ovat herättäneet merkittäviä tutkimusintressejä niiden ainutlaatuisten ominaisuuksien ja ominaisuuksien, kuten suuren lujuuden ja moduulin, alhaisen tiheyden, suuren pinta-alan, hyvän kemiallisen stabiiliuden, korkean sähkö-ja lämmönjohtavuuden sekä palonkestävyyden vuoksi. Vaikka polymeerin nanokomposiittien valmistamiseen on olemassa erilaisia käsittelytekniikoita, ne jaetaan pääasiassa kolmeen luokkaan: A) liuosten käsittely, b) sulan sekoittaminen eräsekoittimella tai jatkuvalla laitteella, kuten ekstruuderilla, ja c) in situ-polymerointi . Polymeeristen nanokomposiittien mekaanisissa ja fysikaalisissa ominaisuuksissa on suuria vaihteluita käsittelyyn liittyvien kysymysten vuoksi.

yleensä hiilinanoputket ja hiilinanokuituputket koostuvat grafiittisylintereistä, joiden läpimitta on 1-100 nm ja suuret kuvasuhteet muutaman mikropituuden verran, mikä johtaa suureen van der Waalsin voimaan vierekkäisten nanoputkien tai nanokuituputkien välillä. Korkeat van der Waalsin voimat ja korkeat kuvasuhteet yhdistettynä korkeisiin joustoihin tekevät nanoputkista ja nanoputkista helposti aggregoituvia. Tämän vuoksi nanoputkia tai nanokuituja on vaikea hajottaa erikseen polymeerihartseiksi. Pienen määrän hiilinanokuituja lisääminen lisää myös merkittävästi hartsin viskositeettia. Erityisesti kuituvahvisteisten polymeerikomposiittien käsittelyn aikana hartsin virtaus kuitumattojen läpi käy erittäin vaikeaksi. Kuitumatot suodattavat myös nanoputket ja nanokuidut nestemäisen muovausprosessin aikana, kuten hartsinsiirtovalu ja tyhjiöavusteinen hartsinsiirtovalu . Lisäksi nanoputkien tai nanokuitujen läsnäolo voi merkittävästi muuttaa polymeerihartsien paikallista kiteytymiskäyttäytymistä joko suoran polymeeri-hiukkasvuorovaikutuksen kautta rajapinnassa tai muuttamalla lämpötilaa ja jännityskenttää nanoputkien tai nanokuitujen ympärillä ja välillä.

on tutkittu ainutlaatuista käsitystä nanokomposiittien valmistamisesta hiilinanokuitupaperista . Tähän lähestymistapaan kuuluu hiilinanokuitupaperin valmistaminen suodattamalla hyvin hajallaan olevien hiilinanokuitujen suspensiota valvotuissa prosessiolosuhteissa. Tällaisella erikoispaperilla on yhtenäinen verkkorakenne, joka on muodostunut nanokuitujen takertumisen kautta. Hiilinanokuitupaperi voidaan edelleen integroida perinteisiin kuituvahvisteisiin komposiittilaminaatteihin nestemuovausprosessien avulla. Hiilinanokuitupaperin rakenteelliset ominaisuudet, kuten huokoskoko ja suunta, voivat vaikuttaa merkittävästi polymeerihartsien tunkeutumiseen. Tässä tutkimuksessa tutkittiin järjestelmällisesti paperin morfologioiden ja käsittelyolosuhteiden välistä korrelaatiota. Erityisesti tutkittiin erilaisten hiilinanokuitu -, liuotin -, dispergointiaine-ja happokäsittelyn vaikutuksia hiilinanokuitupaperin mikrorakenteisiin. Käsittelyolosuhteet valittiin tekemään hiilinanokuitupaperia, jolla on optimaalinen rakenne.

2. Kokeellinen

Höyryviljelty hiilinanokuitu toimitettiin Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, Yhdysvallat. Hiilinanokuituja käytettiin kahta tyyppiä: hapettunutta hiilinanokuitua (OXCNF) ja hapettumatonta hiilinanokuitua (NOXCNF). NOXCNF: ään verrattuna OXCNF: ssä oli enemmän funktionaalisia ryhmiä, kuten hydroksyyliryhmä (–OH) ja karboksyylihappo (–COOH). OXCNF ja NOXCNF huuhdeltiin laimennetulla typpihapolla. Happokäsitellyt hiilinanokuidut nimettiin rin-OXCNF: ksi ja rin-NOXCNF: ksi. Hiilinanokuitujen huuhtelun aikana OXCNF: ää tai NOXCNF: ää sekoitettiin ensin 2m typpihapossa huoneenlämmössä 2 tunnin ajan. Tämän jälkeen liuos suodatettiin 4 m: n polykarbonaattikalvon läpi ja huuhdeltiin vedellä, kunnes typpihappo oli kokonaan poistettu. Tässä tutkimuksessa liuottimina käytettiin deionisoitua vettä (WA), etyylialkoholia (AL) ja asetonia (AC). Dispersantti (DISERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Saksa) käytettiin apuna hiilinanokuitujen hajauttamisessa. Byk: n amiiniarvo oli 20 mg KOH/g ja happo-arvo 30 mg KOH/g, ja se saattoi toimia hiilinanokuitujen steerisen stabiloinnin kautta.

Hiilinanokuitupaperi valmistettiin seuraavia menetelmiä käyttäen. As-käsitellyt tai as-vastaanotetut 200 mg: n hiilinanokuidut jauhettiin laittamalla ne laastiin ja lisäämällä pieni määrä liuotinta. Jauhamisen jälkeen ne siirrettiin 500 mL: n dekantterilasiin. lisäksi lisättiin 400 mL liuotinta. Jousitus sonikoitiin korkean intensiteetin sonikaattorilla 20 minuutin ajan. Alkusonikaation jälkeen sekä liuos että luotain jäähdytettiin huoneenlämpöisiksi. Suspensioon lisättiin 1 mL BYK: ia. Keskeytystä sonikoitiin vielä 20 minuuttia samassa tilassa. Valmisteltu keskeytys sai rauhoittua yön yli. Dekantterilasiin kerättiin 300 mL suspensiota ylemmältä tasolta. Jäljelle jäävä 100 mL suspensiota, jossa oli joitakin säleitä, sekoitettiin 200 mL: aan liuotinta ja sonikoitiin vielä 10 minuutin ajan. Hiilinanokuitupaperi valmistettiin suodattamalla suspensio 0,4 m hydrofiilisen polykarbonaatin tai hydrofobisen Teflonkalvon läpi korkeapainesuodatusjärjestelmässä. Hiilinanokuitupaperia kuivattiin edelleen uunissa 120: ssä 2 tuntia. Tässä tutkimuksessa otettiin kahdeksan näyteryhmää erilaisten hiilinanokuitujen, liuottimien, BYK: n, suspension tai esiintymän yhdistelminä, kuten taulukossa 1 esitetään. Hiilinanokuitupaperin näytteet nimettiin niiden käsittelyolosuhteiden perusteella. Esimerkiksi rin-OXCNF-AC-sus-BYK tarkoittaa, että näyte on valmistettu asetonissa olevasta rin-OXCNF-suspensiosta, joka hajotettiin dispergointiaine BYK: n avulla. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF ja RIN-NOXCNF ovat neljänlaisia hiilinanokuituja. Käytettiin kolmenlaisia liuottimia, kuten vettä, alkoholia ja asetonia. SUS ja DEP osoittavat ylemmän suspension tai talletuksen näytteet.

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. Dispersiolaadun vaihtelut johtuvat Oksiknf: n pintafunktionaalisista ryhmistä. Oxcnf-suspensio vedessä ja etyylialkoholissa oli vakaa. Mutta hiilinanokuidut helposti agglomeroituivat asetoniin, kun sonikaatio oli ohi. Sekä vesi että alkoholi ovat asetonia polaarisempia liuottimia. Hapettuneessa hiilinanokuitussa on enemmän funktionaalisia ryhmiä, kuten Oh, COOH ja niin edelleen liuoksessa. Siksi polaaristen ryhmien (eli nanokuidun Oh-ryhmien ja alkoholin tai veden OH-ryhmien) välinen vuorovaikutus johtaa parempilaatuiseen dispersioon. Hiilinanofiberipaperista tehtiin kuusi näytettä: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-Dep, OXCNF-al-Dep, OXCNF-AND-sus ja OXCNF-AC-Dep. Kuvissa 1 a-1 e esitetään pyyhkäisyelektronimikroskopian (sem) kuvat oxcnf-WA-SUS, OXCNF-AL-sus, OXCNF-AND-SUS, OXCNF-WA-DEP ja OXCNF-AL-Dep.

(a) OXCNF-WA-SUS

(b) OXCNF-AL-sus

(C) oxcnf-and-sus

(d) oxcnf-wa-Dep

(e) oxcnf-al-Dep

(E) OXCNF-al-Dep

(a) oxcnf-wa-sus
(b) oxcnf-al-sus
(C) OXCNF-AND-sus
(d) OXCNF-WA-Dep

(D) OXCNF-Wa-Dep(e) OXCNF-AL-Dep
(e) OXCNF-AL-Dep

kuvissa 1(a) ja 1(d) on OXCNF-WA-susin ja OXCNF-WA-depin SEM-kuvat. Voidaan nähdä, että kuvassa 1(a) ei ole suuria hiukkasia. Suuria hiukkasia voidaan kuitenkin havaita selvästi kuvassa 1 (d). Suuret hiukkaset olivat peräisin hiilinanokuitujen aggregaateista. Hiilinanokuituja, joiden läpimitta oli pienempi, pakattiin tiiviisti OXCNF-WA-SUS: iin, mikä johtaa suurempaan OXCNF-WA-SUS: in irtotiheyteen, kuten taulukossa 2 esitetään. Metallisia katalyyttihiukkasia löytyy sekä OXCNF-WA-SUS että OXCNF-WA-DEP.

samanlainen havainto tehtiin OXCNF-AL-SUS-ja OXCNF-AL-Dep-yhdisteistä, kuten on esitetty kuvioissa 1(b) ja 1(e). Hiilinanokuituja on vaikea erikseen hajottaa ja erottaa toisistaan, ja kerrostuneista hiilinanokuituista tuli aggregaatteja. Kuvien 1(d) ja 1(e) ero osoittaa, että hiilinanokuitujen erottaminen alkoholista oli vaikeampaa kuin vedestä. Suurempia hiilinanofiber-aggregaatteja löytyy figuer 1: stä (e). Hiilinanokuituja, joiden läpimitta on pienempi kuvassa 1(a), on enemmän, koska hiilinanokuitujen hajonta vedessä on parempaa. Tämä havainto voidaan tehdä myös vertaamalla niiden painoja taulukossa 2. Noin 30,5 paino-% hiilinanokuituja talletettiin OXCNF-AL-DEP: iin. Veteen kertyi vain noin 25,5 paino – % hiilinanokuituja. Kuvioista 1 (a) -1 (c) OXCNF-WA-SUS: lla oli hyvä hiilinanokuitujen verkostorakenne, jossa ei muodostunut suuria hiilinanokuituaggregaatteja, ja yksittäiset nanokuituaineet pakattiin tiiviisti paperin sisään. Näyttää siltä, että hiilinanokuitupaperin rakenne oli parempi OXCNF-AC-SUS kuin OXCNF-AL-SUS.

3, 2. Dispersantin

vaikutus Oksiknf: n parempaan dispersioon asetonissa käytettiin dispergointiainetta BYK. OXCNF-AC-sus-BYKIN ja OXCNF-AC-susin osalta havaittiin, että dispersantin avulla kerrostui vähemmän hiilinanokuituja, kuten taulukosta 2 käy ilmi. Dispergointiaine eli pinta-aktiivinen aine vähentää kiinteän faasin interfasiaalista pintajännitystä tai pintaenergiaa hiilinanokuitujen tavoin. Siksi ne liukenevat suhteellisen helposti liuottimeen. Samoissa jalostusolosuhteissa oxcnf-AC-SUS-suspensioon jäi vain 38,5 painoprosenttia Oxcnf: stä, mutta 60.7 paino-% Oxcnf-AC-sus-BYK: n osalta. Suuri määrä Oxcnf: iä hajotettiin asetoniksi Byk: n avulla. Kuvassa 2 on OXCNF-AC-sus-BYKIN SEM-kuvat. Kuvioon 1 (c) verrattuna kuviosta 2 käy selvästi ilmi, että OXCNF-AC-sus-BYK-hankkeessa muodostui yhtenäisempi verkkorakenne. Kuvassa 1 (c) hiilinanokuitupaperi koostui vain suorista Oxcnf: istä, joiden läpimitta oli suurempi. Mutta oli joitakin kaarevia OXCNFs pienempiä halkaisijoita kuvassa 2. Sen vuoksi BYK: n käyttö voisi parantaa Oxcnf: n hajontaa.

3, 3. Happohuuhdon vaikutukset

laimennettua typpihappoa käytettiin hiilinanokuitujen huuhteluun. Kuvissa 3 ja 4 on SEM-kuvat rin-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-Dep-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS ja rin-OXCNF-WA-DEP. Kuviossa 2 esitettyyn OXCNF-AC-sus-BYK-aggregaattiin verrattuna Kuvassa 3 A esitetään yhtenäinen verkkorakenne ilman suuria OXCNF-aggregaatteja. Happohuuhtelu paransi Oksiknf: n hajontaa lyhyistä ja pienistä nanokuiduista koostuvan paperin sisällä. Kuvasta 1 (a) voidaan nähdä, että lyhyet Oxcnf: t olivat olemassa nippuina ja täyttivät hiilinanokuitupaperin huokoset. OXCNF-WA-DEP: n painoarvo oli vain 25,5 painoprosenttia, mutta rin-OXCNF-WA-DEP saattoi nousta jopa 38,9 paino -%: iin, kuten taulukosta 2 käy ilmi. Kuvioon 1 (d) verrattuna Kuvassa 4(b) on enemmän hiilinanokuituaggregaatteja, vaikka hiilinanokuituaggregaattien koko kuvassa 1(d) oli paljon suurempi. Voidaan päätellä, että Oxcnf: ää ei tarvitse käsitellä happohuuhtelulla, jos vettä käytetään liuottimena. Happohuuhtelu voisi parantaa hiilinanokuitujen hajontaa alkoholissa ja johtaa yhtenäiseen verkostorakenteeseen.

(a) rin-OXCNF-AND-PIG-BYK

(b) rin-oxcnf-AC-Dep-Byk

(a) rin-oxcnf-and-pig-Byk
(b) 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

3, 4. Hiilinanokuitujen vaikutukset

NOXCNFs: n pinnalla on hyvin vähän aktiivisia kemiallisia kohtia. Siksi on erittäin vaikeaa hajottaa suoraan noxcnf: ää veteen ja asetoniin. Noxcnfs yhdistettiin helposti sonikoinnin jälkeen. Suodatetulla hiilinanokuitupaperilla oli hyvin karkea pinta. Noxcnf: t kerrostuivat nopeasti dekantterilasin pohjalle veteen. NOXCNF-hiutaleet muodostuivat asetonista. Jotta noxcnfs-suspensio olisi stabiili, dispergointiaine BYK on käytettävä asetonissa. Kuvassa 5 esitetään noxcnf-AC-sus-BYK-ja RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK-morfologiat. Noxcnf-AC-sus-BYKILLÄ oli suuria noxcnf-aggregaatteja, eikä verkon rakenne ollut yhtenäinen. Rin-NOXCNF-AC-sus-BYKIN osalta suuret noxcnf-aggregaatit kuitenkin hävisivät ja verkkorakenteiden laatu parani. Siksi happohuuhtelu voimisti NOXCNF: n dispersiota asetonissa.

(a) NOXCNF-AND-PIG-BYK

(b) rin-noxcnf-and-pig-Byk

(a) noxcnf-and-pig-Byk
(b) rin-noxcnf-and-pig-Byk

3, 5. Hiilinanokuitupaperin irtotiheys

irtotiheys on yksi hiilinanokuitupaperin tärkeistä parametreista. Hiilinanokuitupaperin paksuus, paino, painoprosentti ja tiheys on esitetty taulukossa 2. Irtotiheydet piirretään kuvan 6 näytenumeroon. Voidaan nähdä, että kaikissa yläsuspensiosta otetuissa näytteissä oli suurempi irtotiheys kuin kerrostumista otetuissa näytteissä. Tämä johtuu yksittäisten nanokuitujen tiiviistä pakkauksesta, joka on tasaisesti hajallaan jousituksessa. Tangot 1, 2 ja 3 edustavat näytteitä, jotka on tehty OXCNF-suspensiosta veteen, alkoholiin ja asetoniin. Näiden näytteiden massatiheydet kerrostumista vähenivät noudattamalla järjestystä: vettä, alkoholia ja asetonia. Alkoholisuspensiosta saadun näytteen massatiheys on pienin. Tämä sopii hyvin kuviossa 1 esitettyihin SEM-kuviin. Näytteeseen 3 verrattuna Byk käytettiin näytteeseen 4. Näytteessä 5 OXCNF huuhdottiin laimennetulla typpihapolla ja hajotettiin BYK: n avulla. Sekä BYK että happohuuhtelu paransivat Oksiknf: n dispersiota asetonissa. Sama ilmiö havaittiin OXCNF-vesiliuoksista tehdyillä näytteillä vertailemalla näytteitä 1 ja 6. Happohuuhtelun jälkeen niiden irtotiheys kasvoi. NOXCNF: n osalta esiintymien näytteiden irtotiheydessä ei ole merkittäviä muutoksia. Happohuuhtelu kuitenkin lisäsi suspensiosta otettujen näytteiden irtotiheyttä.

4. Päätelmät

tämä paperi tutki järjestelmällisesti hiilinanokuitupaperin käsittely-rakenne-suhdetta. On selvää, että hiilinanokuitujen hajonta liuottimissa oli tärkeässä roolissa hiilinanokuitupaperin verkkorakenteiden määrittämisessä. Hyvä hajonta johti hiilinanokuitujen tiiviiseen pakkaamiseen, mikä muodosti paperin yhtenäisen verkostorakenteen suuremmalla irtotiheydellä. Hajontalaadun vaihtelut aiheuttivat muutoksia hiilinanokuitupaperin verkostorakenteissa ja tiheydessä. Liuottimien tyypit, dispergointiaineet, happohuuhtelu ja hiilinanokuitujen tyypit vaikuttivat merkittävästi dispersion laatuun. On todettu, että Oxcnf: t hajosivat helposti veteen ja alkoholiin, mutta huonosti asetoniin kuitupinnan funktionaalisten ryhmien vuoksi. Vaikka funktionaalisia ryhmiä NOXCNFs: ssä oli vähän, ne hajosivat helposti asetoniin dispergointiaineen avulla. Lisäksi käsittely laimennetulla typpihapolla paransi liuottimien dispersiota. Siksi hiilinanokuitupaperin verkkorakennetta voidaan ohjata ja optimoida valitsemalla asianmukaiset käsittelyparametrit.

kiitokset

tämä aineisto perustuu National Science Foundationin nanomanufacturing program-ohjelman tukemaan työhön apurahalla nro 0757302, jota hallinnoi ohjelmapäällikkö, tohtori Shaochen Chen. Tunnustus tehdään myös Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) – ohjelmalle Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Tässä aineistossa esitetyt mielipiteet, havainnot ja johtopäätökset tai suositukset ovat kirjoittajien mielipiteitä eivätkä välttämättä heijasta Kansallisen tiedesäätiön näkemyksiä.