absztrakt
ebben a tanulmányban a nanokompozitok szén nanoszálas papírból történő előállításának egyedülálló koncepcióját tárták fel. Ennek a módszernek az alapvető eleme a szén nanoszálas papír tervezése és gyártása volt, a szén nanoszálak jól szabályozott és optimalizált hálózati struktúrájával. Ebben a tanulmányban a szén nanoszálas papírt különböző feldolgozási körülmények között állították elő, beleértve a különböző típusú szén nanoszálakat, oldószereket, diszpergálószereket és savas kezelést. A nanoszálas papírban lévő szén nanoszálak morfológiáit pásztázó elektronmikroszkóppal (sem) jellemeztük. Ezenkívül megmértük a szén nanoszálas papírok ömlesztett sűrűségét. Megállapították, hogy a szén nanoszálas papír sűrűsége és hálózati szerkezete korrelált a szén nanoszálak diszperziós minőségével a papírban, amelyet a papírgyártási folyamat körülményei jelentősen befolyásoltak.
1. Bevezetés
különféle nanorészecskéket építettek be a polimer gyantákba, hogy nanokompozitokat készítsenek széles körű alkalmazásokhoz . Közülük a szén nanocsövek és a szén nanoszálak jelentős kutatási érdekeket vonzottak egyedi jellemzőik és tulajdonságaik miatt, mint például a nagy szilárdság és modulus, az alacsony sűrűség, a nagy felület, a jó kémiai stabilitás, a magas elektromos és hővezető képesség és a tűzállóság. Bár a polimer nanokompozitok előállítására különböző feldolgozási technikák léteznek, ezeket elsősorban három kategóriába sorolják: a) oldatfeldolgozás, b) olvadékkeverés kötegelt keverővel vagy folyamatos eszközzel, például extruderrel, és c) in situ polimerizáció . A polimer nanokompozitok mechanikai és fizikai tulajdonságai a feldolgozással kapcsolatos problémák miatt nagy eltéréseket mutatnak.
általában a szén nanocsövek és a szén nanoszálak 1-100 nm átmérőjű grafithengerekből és néhány mikroszálas nagy képarányból állnak, ami nagy Van der Waals erőt eredményez a szomszédos nanocsövek vagy nanoszálak között. A nagy van der Waals-erők és a magas képarányok a nagy rugalmasság kombinációjával a nanocsöveket és a nanoszálakat könnyen aggregálják. Ennek eredményeként nehéz a nanocsöveket vagy a nanoszálakat külön-külön diszpergálni polimer gyantákká. Kis mennyiségű szén nanoszál hozzáadása szintén jelentősen növeli a gyanta viszkozitását. Különösen a szálerősítésű polimer kompozitok feldolgozása során a gyanta áramlása a szálas szőnyegeken nagyon nehézzé válik. A szálas szőnyegek a nanocsöveket és a nanoszálakat is kiszűrik a folyékony formázási folyamat során, mint például a gyanta transzfer öntés és a vákuum-támogatott gyanta transzfer öntés . Ezenkívül a nanocsövek vagy nanoszálak jelenléte jelentősen módosíthatja a polimergyanták helyi kristályosodási viselkedését akár a közvetlen polimer/részecske kölcsönhatás révén az interfészen, akár a hőmérséklet és a stressz mező módosításával a nanocsövek vagy nanoszálak körül és között.
a nanokompozitok szén nanoszálas papírból történő előállításának egyedülálló koncepcióját fedezték fel . Ez a megközelítés magában foglalja a szén nanoszálas papír előállítását a jól diszpergált szén nanoszálak szuszpenziójának szűrésével ellenőrzött technológiai körülmények között. Egy ilyen speciális papír egységes hálózati struktúrával rendelkezik, amely a nanoszálak összefonódása révén alakul ki. A szén nanoszálas papír folyékony öntési folyamatok révén tovább integrálható a hagyományos szálerősítésű kompozit laminátumokba. A szén nanoszálas papír szerkezeti jellemzői, például a pórusméret és az orientáció jelentősen befolyásolhatják a polimer gyanták behatolását. Ebben a tanulmányban szisztematikusan tanulmányozták a papír morfológiái és feldolgozási körülményei közötti összefüggést. Konkrétan a különböző típusú szén nanoszálas, oldószeres, diszpergálószer és savas kezelés hatását vizsgáltuk a szén nanoszálas papír mikrostruktúráira. A Feldolgozási Feltételeket úgy választottuk meg, hogy optimális szerkezetű szén nanoszálas papírt készítsünk.
2. Kísérleti
a gőzzel termesztett szén nanoszálas anyagot az Applied Sciences, Inc.szállította., Cedarville, Ohio, USA. Kétféle szén nanoszálas anyagot használtak: oxidált szén nanoszálas (OXCNF) és nem oxidált szén nanoszálas (NOXCNF). A NOXCNF-hez képest az OXCNF-nek több funkcionális csoportja volt, mint például a hidroxilcsoport (–OH) és a karbonsav (- COOH). Az OXCNF – et és az NOXCNF-et hígított salétromsavval leöblítettük. A savval kezelt szén nanoszálakat RIN-OXCNF-nek és RIN-NOXCNF-nek nevezték el. A szén nanoszálak öblítése során az OXCNF-et vagy a NOXCNF-et először 2 m salétromsavban keverjük szobahőmérsékleten 2 órán át. Az oldatot ezután egy 4 m-es polikarbonát membránon átszűrjük, majd vízzel leöblítjük, amíg a salétromsav teljesen el nem távolul. Ebben a vizsgálatban ionmentesített vizet (WA), etil-alkoholt (AL) és acetont (AC) használtak oldószerként. A diszpergálószer (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Németország) a szén nanoszálak diszperziójának elősegítésére használták. A BYK amin értéke 20 mg KOH/g, savértéke pedig 30 mg KOH / g volt, és a szén nanoszálak szterikus stabilizálásán keresztül működhetett.
a szén nanoszálas papírt a következő eljárások alkalmazásával állítottuk elő. A 200 mg-os kezelt vagy fogadott szén nanoszálakat habarcsba helyezve kis mennyiségű oldószer hozzáadásával őröltük. Az őrlés után 500 mL-es főzőpohárba helyeztük őket. és 400 mL oldószert adtunk hozzá. A szuszpenziót nagy intenzitású szonikátorral szonikáltuk 20 percig. A kezdeti szonikáció után mind az oldatot, mind a szondát szobahőmérsékletre hűtöttük. Ezután 1 mL BYK-t adtunk a szuszpenzióhoz. A szuszpenziót ultrahanggal további 20 percig ugyanabban az állapotban. Az elkészített szuszpenziót egy éjszakán át hagytuk leülepedni. A főzőpohár felső szintjén 300 mL szuszpenziót gyűjtöttünk össze. A maradék 100 mL-es szuszpenziót, amely néhány lerakódást tartalmaz, 200 mL oldószerrel összekeverjük, és további 10 percig ultrahanggal kezeljük. A szén nanoszálas papírt úgy állítottuk elő, hogy a szuszpenziót 0,4 m-es hidrofil polikarbonáton vagy hidrofób Teflon membránon szűrtük át nagynyomású szűrőrendszer alatt. A szén nanoszálas papírt tovább szárítottuk kemencében 120 – on 2 órán át. Ebben a tanulmányban nyolc mintacsoportot készítettek különböző típusú szén nanoszálak, oldószerek, BYK, szuszpenzió vagy betét kombinációi alatt, az 1.táblázat szerint. A szén nanoszálas papír mintáit feldolgozási körülményeik alapján jelölték ki. Például a RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK azt jelenti, hogy a mintát acetonban lévő Rin-OXCNF szuszpenzióból készítették, amelyet BYK diszpergálószer segítségével diszpergáltunk. Az OXCNF, a RIN-OXCNF, a NOXCNF és a RIN-NOXCNF a szén nanoszálak négy típusa. Háromféle oldószert használtak, beleértve a vizet, az alkoholt és az acetont. A sus és a DEP a felső szuszpenzióból, illetve a lerakódásból származó mintákat jelöli.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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. A diszperziós minőség eltérései az Oxcnf-ek felületi funkciós csoportjainak köszönhetők. Az Oxcnf-ek vízben és etil-alkoholban való szuszpenziója stabil volt. De a szén nanoszálak könnyen agglomerálódtak acetonban, miután az ultrahangos kezelés véget ért. Mind a víz, mind az alkohol poláris oldószer, mint az aceton. Az oxidált szén nanofibernek több funkcionális csoportja van, mint például az OH, COOH stb. Ezért a poláris csoportok (azaz a nanoszálas és az alkohol vagy víz OH csoportjai) közötti kölcsönhatás jobb diszperzióminőséget eredményez. Hat minta szén nanoszálas papírból készült: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-és-SUS, és OXCNF-AC-DEP. Az 1(a)-1(e) ábra az OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-és-SUS, OXCNF-WA-DEP, illetve OXCNF-AL-DEP pásztázó elektronmikroszkópos (sem) képeit mutatja.
(a) OXCNF-WA-SUS
(b) OXCNF-AL-SUS
(C) oxcnf-and-sus
(D) oxcnf-wa-DEP
(E) OXCNF-al-dep
(a) oxcnf-wa-sus
(b) oxcnf-al-sus
(C) OXCNF-and-SUS
(d) OXCNF-WA-DEP
(e) OXCNF-AL-DEP
az 1(a) és az 1(d) ábra az OXCNF-WA-SUS és az OXCNF-WA-DEP SEM képeit mutatja. Látható, hogy az 1. A) ábrán nem találhatók nagy részecskék. A nagy részecskék azonban egyértelműen megfigyelhetők az 1(d) ábrán. A nagy részecskék a szén nanoszálak aggregátumaiból származnak. A kisebb átmérőjű szén nanoszálakat szorosan OXCNF-WA-SUS-ba csomagolták, ami az OXCNF-WA-SUS nagyobb térfogatsűrűségét eredményezi, amint azt a 2.táblázat mutatja. A fém katalizátor részecskék megtalálhatók mind az OXCNF-WA-SUS-ban, mind az OXCNF-WA-DEP-ben.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Note: (a) Total weight of carbon nanofibers from the suspension and deposit; (b) sample diameter 39 mm. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
hasonló megfigyelést végeztek az OXCNF-AL-SUS és az OXCNF-AL-DEP esetében, amint azt az 1.b) és 1. E) ábra mutatja. Nehéz a szén nanoszálakat külön-külön eloszlatni és elkülöníteni, a lerakódott szén nanoszálak pedig aggregátumokká váltak. Az 1(d) és az 1(e) ábra közötti különbség azt jelzi, hogy az alkoholban nehezebb volt elválasztani a szén nanoszálakat, mint a vízben. Nagyobb szén nanoszálas aggregátumok találhatók Figuer 1 (e). Az 1(a) ábrán látható kisebb átmérőjű szén nanoszálak több, a szén nanoszálak vízben való jobb diszperziója miatt. Ezt a megfigyelést a 2.táblázatban bemutatott súlyok összehasonlításával is meg lehet tenni. Körülbelül 30,5 tömeg% szén nanoszálakat helyeztek el az OXCNF-AL-DEP-ben. Csak körülbelül 25,5 tömeg% szén nanoszál került a vízbe. Az 1(a)-1(c) ábrákból az OXCNF-WA-SUS jó szén nanoszálas hálózati szerkezettel rendelkezett, amelyben nem keletkeztek nagy szén nanoszálas aggregátumok, és az egyes nanoszálak szorosan be voltak csomagolva a papírba. Úgy tűnik, hogy a szén nanoszálas papír szerkezete jobb volt az OXCNF-AC-SUS-ban, mint az OXCNF-AL-SUS-ban.
3.2. A diszpergálószer hatásai
az Oxcnf-ek acetonban történő jobb diszperziójának elérése érdekében a BYK diszpergálószert használtuk. Az OXCNF-AC-sus-BYK és OXCNF-AC-sus esetében megállapítást nyert, hogy a diszpergálószer segítségével kevesebb szén nanoszál került lerakódásra, amint azt a 2.táblázat mutatja. A diszpergálószer vagy felületaktív anyag csökkenti a felületfelületi felületi feszültséget vagy a szilárd fázis felületi energiáját, mint a szén nanoszálak. Ezért viszonylag könnyen feloldhatók az oldószerben. Ugyanezen feldolgozási feltételek mellett az Oxcnf-eknek csak 38,5 tömeg%-a maradt az OXCNF-AC-SUS szuszpenziójában, de 60.Az Oxcnf-AC-SUS-BYK esetében az Oxcnf-ek 7 tömeg%-a. Nagy mennyiségű Oxcnf-et külön-külön acetonba diszpergáltunk BYK segítségével. A 2. ábra az OXCNF-AC-sus-BYK SEM képeit mutatja. Az 1(c) ábrához képest a 2.ábra egyértelműen jelzi, hogy az OXCNF-AC-SUS-BYK-ban egyenletesebb hálózati struktúra alakult ki. Az 1. ábra c) pontjában a szén nanoszálas papír csak nagyobb átmérőjű egyenes Oxcnf-ekből állt. De volt néhány ívelt OXCNFs kisebb átmérőjű ábrán 2. Ezért a BYK használata javíthatja az Oxcnf-ek diszperzióját.
3.3. A savas öblítés hatásai
a hígított salétromsavat a szén nanoszálak öblítésére használtuk. A 3.és 4. ábra a RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS és RIN-OXCNF-WA-DEP SEM képeit mutatja. A 2.ábrán látható OXCNF-AC-sus-BYK-hoz képest a 3(a) ábra egységes hálózati struktúrát mutat nagy OXCNF aggregátumok nélkül. A savas öblítés javította az Oxcnf-ek diszperzióját a rövid és kis nanoszálakból álló papírban. Az 1(a) ábrán látható, hogy rövid Oxcnf-ek kötegekben léteztek, és kitöltötték a szén nanoszálas papír pórusait. Az OXCNF-WA-DEP csak 25,5 tömeg% volt, de a RIN-OXCNF-WA-DEP elérheti a 38,9 tömeg% – ot is, amint azt a 2.táblázat mutatja. Az 1. D) ábrához képest a 4.b) ábra több szén nanoszálas aggregátumot mutat, bár az 1. D) ábrán a szén nanoszálas aggregátumok mérete sokkal nagyobb volt. Megállapítható, hogy nem szükséges az Oxcnf-eket savas öblítéssel kezelni, ha a vizet oldószerként használják. A savas öblítés javíthatja a szén nanoszálak diszperzióját az alkoholban, és egységes hálózati struktúrához vezethet.
(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. Szén nanoszálak hatásai
a noxcnf-ek felületén nagyon kevés aktív kémiai hely található. Ezért rendkívül nehéz a Noxcnf-eket közvetlenül vízben és acetonban diszpergálni. A noxcnf-eket az ultrahangos kezelés után könnyen összesítették. A szűrt szén nanoszálas papírnak nagyon durva felülete volt. A Noxcnf-eket gyorsan lerakták a főzőpohár aljára vízben. A noxcnf flokkulákat acetonban képeztük. A noxcnf-ek stabil szuszpenziójának elérése érdekében a BYK diszpergálószert acetonban kell használni. Az 5. ábra a noxcnf-AC-SUS-BYK és a RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK morfológiáját mutatja. A NOXCNF-AC-SUS-BYK esetében nagy noxcnf aggregátumok voltak, és a hálózati struktúra nem volt egységes. De a RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK esetében a nagy noxcnf aggregátumok eltűntek, és a hálózati struktúrák minősége javult. Ezért a savas öblítés fokozta az noxcnf diszperzióját acetonban.
(a) NOXCNF-and-PIG-BYK
(b) rin-noxcnf-and-pig-Byk
a) noxcnf-and-pig-Byk
b) Rin-noxcnf-and-pig-Byk
3.5. A szén Nanoszálas papír tömegsűrűsége
a térfogatsűrűség a szén nanoszálas papír egyik fontos paramétere. A szén nanoszálas papír vastagságát, tömegét, tömegszázalékát és sűrűségét a 2.táblázat mutatja. Az ömlesztett sűrűségeket a 6. ábrán látható mintaszám alapján ábrázoljuk. Látható, hogy a felső szuszpenzióból készült összes minta nagyobb tömegsűrűséggel rendelkezett, mint a lerakódásokból származó minták. Ennek oka az egyes nanoszálak szoros csomagolása, amelyek egyenletesen diszpergálódnak a szuszpenzióban. Az 1., 2. és 3. sáv az OXCNF vízben, alkoholban és acetonban lévő szuszpenziójából készült mintákat jelöli. A lerakódásokból származó minták tömegsűrűsége a következő sorrendben csökkent: víz, alkohol, aceton. Az alkoholszuszpenzióból származó minta térfogatsűrűsége a legalacsonyabb. Ez nagyon jól illeszkedik az 1.ábrán látható SEM képekhez. A 3. mintához képest a 4.mintához BYK-t használtunk. Az 5. mintában az OXCNF-et hígított salétromsavval leöblítettük, majd BYK segítségével diszpergáltuk. Mind a BYK, mind a savas öblítés javította az Oxcnf-ek diszperzióját acetonban. Ugyanezt a jelenséget figyelték meg az OXCNF vizes oldatokból készült mintáknál az 1.és 6. Minta összehasonlításával. A savas öblítés után ömlesztett sűrűségük nőtt. Az NOXCNF esetében a lerakódásokból származó minták tömegsűrűsége nem változik jelentősen. A savas öblítés azonban növelte a szuszpenzióból származó minták ömlesztett sűrűségét.
4. Következtetések
Ez a cikk szisztematikusan tanulmányozta a szén nanoszálas papír feldolgozási-szerkezeti kapcsolatát. Világosan látható, hogy a szén nanoszálak oldószerekben való diszperziója fontos szerepet játszott a szén nanoszálas papír hálózati struktúrájának meghatározásában. A jó diszperzió a szén nanoszálak szoros csomagolásához vezetett, ami a nagyobb térfogatsűrűségű papír egységes hálózati szerkezetét képezte. A diszperziós minőség változása okozta a szén nanoszálas papír hálózati struktúrájának és sűrűségének változását. Az oldószerek, diszpergálószerek, savas öblítés, valamint a szén nanoszálak típusai jelentősen befolyásolták a diszperzió minőségét. Azt találtuk, hogy az Oxcnf-ek könnyen diszpergálódtak vízben és alkoholban, de nem jól acetonban a szálfelület funkcionális csoportjai miatt. Bár az Noxcnf-Eken kevés funkcionális csoport volt, diszpergálószer segítségével könnyen diszpergálódtak acetonban. Ezenkívül a hígított salétromsavval végzett kezelés javította az oldószerek diszperzióját. Ezért a szén nanoszálas papír hálózati szerkezete szabályozható és optimalizálható a megfelelő feldolgozási paraméterek kiválasztásával.
Köszönetnyilvánítás
Ez az anyag a Nemzeti Tudományos Alapítvány nanogyártási programjának 0757302 számú támogatásán alapul, amelyet Dr. shaochen Chen programmenedzser irányít. Az elismerést a Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) programnak is megadják a Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Az ebben az anyagban kifejtett vélemények, megállapítások, következtetések vagy ajánlások a szerzők véleményei, és nem feltétlenül tükrözik a Nemzeti Tudományos Alapítvány véleményét.
