Abstract

In questo studio è stato esplorato un concetto unico di creazione di nanocompositi dalla carta in nanofibre di carbonio. L’elemento essenziale di questo metodo era progettare e produrre carta in nanofibre di carbonio con una struttura di rete ben controllata e ottimizzata di nanofibre di carbonio. In questo studio, la carta in nanofibre di carbonio è stata preparata in varie condizioni di lavorazione, inclusi diversi tipi di nanofibre di carbonio, solventi, disperdenti e trattamento acido. Le morfologie delle nanofibre di carbonio all’interno della carta di nanofibre sono state caratterizzate con microscopia elettronica a scansione (SEM). Inoltre, sono state misurate le densità di massa delle carte in nanofibre di carbonio. È stato riscontrato che le densità e le strutture di rete della carta in nanofibre di carbonio erano correlate alla qualità di dispersione delle nanofibre di carbonio all’interno della carta, che era significativamente influenzata dalle condizioni del processo di fabbricazione della carta.

1. Introduzione

Una varietà di nanoparticelle sono state incorporate in resine polimeriche per produrre nanocompositi per una vasta gamma di applicazioni . Tra questi, i nanotubi di carbonio e le nanofibre di carbonio hanno attirato significativi interessi di ricerca grazie alle loro caratteristiche e proprietà uniche come alta resistenza e modulo, bassa densità, elevata superficie, buona stabilità chimica, elevata conduttività elettrica e termica e resistenza al fuoco. Sebbene esistano diverse tecniche di lavorazione per fabbricare nanocompositi polimerici, sono principalmente suddivise in tre categorie: (a) elaborazione della soluzione , (b) miscelazione della fusione utilizzando un miscelatore batch o un dispositivo continuo come un estrusore e (c) polimerizzazione in situ . Le proprietà meccaniche e fisiche dei nanocompositi polimerici presentano grandi variazioni a causa di problemi legati alla lavorazione.

Generalmente, i nanotubi di carbonio e le nanofibre di carbonio sono costituiti da cilindri grafitici con diametri di 1-100 nm e alti rapporti di aspetto di poche micro lunghezze, portando ad un’elevata forza di van der Waals tra nanotubi o nanofibre adiacenti. Le elevate forze di van der Waals e gli alti rapporti di aspetto con una combinazione di elevate flessibilità rendono i nanotubi e le nanofibre facilmente aggregati. Di conseguenza, è difficile disperdere individualmente i nanotubi o le nanofibre in resine polimeriche. L’aggiunta di una piccola quantità di nanofibre di carbonio aumenterà anche significativamente la viscosità della resina. In particolare durante la lavorazione di compositi polimerici rinforzati con fibre, il flusso di resina attraverso i tappetini in fibra diventa molto difficile. I tappetini in fibra filtreranno anche i nanotubi e le nanofibre durante il processo di stampaggio liquido come lo stampaggio a trasferimento di resina e lo stampaggio a trasferimento di resina assistito dal vuoto . Inoltre, la presenza dei nanotubi o nanofibre può modificare significativamente il comportamento di cristallizzazione locale delle resine polimeriche sia attraverso l’interazione diretta polimero / particella all’interfaccia o la modifica della temperatura e campo di stress intorno e tra i nanotubi o nanofibre.

È stato esplorato un concetto unico di creazione di nanocompositi dalla carta di nanofibre di carbonio . Questo approccio prevede la produzione di carta in nanofibre di carbonio attraverso la filtrazione della sospensione di nanofibre di carbonio ben disperse in condizioni di processo controllate. Tale carta speciale ha una struttura di rete uniforme formata attraverso l’entanglement delle nanofibre. La carta in nanofibre di carbonio può essere ulteriormente integrata nei tradizionali laminati compositi rinforzati con fibre attraverso processi di stampaggio a liquido. Le caratteristiche strutturali della carta in nanofibre di carbonio come la dimensione dei pori e l’orientamento possono influenzare significativamente la penetrazione delle resine polimeriche. In questo studio, la correlazione tra le morfologie e le condizioni di lavorazione della carta è stata sistematicamente studiata. In particolare, sono stati esaminati gli effetti di diversi tipi di nanofibre di carbonio, solvente, disperdente e trattamento acido sulle microstrutture della carta di nanofibre di carbonio. Le condizioni di lavorazione sono state scelte per rendere la carta in nanofibre di carbonio con una struttura ottimale.

2. Sperimentale

Nanofibra di carbonio coltivata a vapore è stata fornita da Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, Stati Uniti d’America. Sono stati utilizzati due tipi di nanofibre di carbonio: nanofibre di carbonio ossidato (OXCNF) e nanofibre di carbonio non ossidato (NOXCNF). Rispetto a NOXCNF, OXCNF aveva gruppi più funzionali, come il gruppo idrossilico (–OH) e l’acido carbossilico (–COOH). OXCNF e NOXCNF sono stati risciacquati con acido nitrico diluito. Le nanofibre di carbonio trattate con acido sono state designate come RIN-OXCNF e RIN-NOXCNF. Durante il risciacquo delle nanofibre di carbonio, OXCNF o NOXCNF è stato prima mescolato in acido nitrico 2M a temperatura ambiente per 2 ore. La soluzione è stata quindi filtrata attraverso una membrana di policarbonato di 4 m e risciacquata con acqua fino a quando l’acido nitrico è stato completamente rimosso. In questo studio, acqua deionizzata (WA), alcool etilico (AL) e acetone (AC) sono stati utilizzati come solventi. Il disperdente (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Germania) è stato utilizzato per aiutare la dispersione di nanofibre di carbonio. Il BYK aveva valori amminici di 20 mg KOH / g e valore acido di 30 mg KOH / g e poteva funzionare attraverso la stabilizzazione sterica delle nanofibre di carbonio.

La carta in nanofibre di carbonio è stata fabbricata utilizzando le seguenti procedure. Le nanofibre di carbonio come trattate o come ricevute di 200 mg sono state macinate mettendole in una malta e aggiungendo una piccola quantità di solvente. Dopo la macinazione, sono stati trasferiti in un becher da 500 ml. e sono stati aggiunti 400 ml di solvente. La sospensione è stata sonicata utilizzando un sonicatore ad alta intensità per 20 minuti. Dopo la sonicazione iniziale, sia la soluzione che la sonda sono state raffreddate a temperatura ambiente. 1 ml di BYK è stato quindi aggiunto alla sospensione. La sospensione è stata sonicata per altri 20 minuti nelle stesse condizioni. La sospensione così preparata è stata autorizzata a stabilirsi durante la notte. Sono stati raccolti 300 ml di sospensione al livello superiore del becher. I restanti 100 ml di sospensione contenenti alcuni depositi sono stati miscelati con 200 ml di solvente e sonicati per altri 10 minuti. La carta in nanofibre di carbonio è stata realizzata filtrando la sospensione attraverso un policarbonato idrofilo da 0,4 m o una membrana idrofobica in teflon sotto un sistema di filtrazione ad alta pressione. La carta in nanofibre di carbonio è stata ulteriormente essiccata in forno a 120 per 2 ore. In questo studio, otto gruppi di campioni sono stati realizzati in varie combinazioni di diversi tipi di nanofibre di carbonio, solventi, BYK, sospensione o deposito, come mostrato nella Tabella 1. I campioni di carta in nanofibre di carbonio sono stati designati in base alle loro condizioni di lavorazione. Ad esempio, RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK rappresenta che il campione è stato fatto da sospensione RIN-OXCNF in acetone, che è stato disperso con un aiuto di BYK disperdente. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF e RIN-NOXCNF sono quattro tipi di nanofibre di carbonio. Sono stati utilizzati tre tipi di solventi tra cui acqua, alcool e acetone. SUS e DEP indicano rispettivamente i campioni della sospensione superiore o del deposito.

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. Le variazioni nella qualità della dispersione sono dovute ai gruppi funzionali superficiali dei OXCNF. La sospensione di OXCNFs in acqua e alcool etilico era stabile. Ma nanofibre di carbonio facilmente agglomerati in acetone una volta che la sonicazione era finita. Sia l’acqua che l’alcool sono solventi più polari dell’acetone. Il nanofibra di carbonio ossidato ha gruppi più funzionali come OH, COOH e così via nella soluzione. Pertanto, l’interazione tra i gruppi polari (cioè i gruppi OH sul nanofibra e i gruppi OH di alcol o acqua) porta a una migliore qualità della dispersione. Sono stati realizzati sei campioni di carta in nanofibre di carbonio: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-AND-SUS e OXCNF-AC-DEP. Le figure 1 (a) -1(e) mostrano le immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) di OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-E-SUS, OXCNF-WA-DEP e OXCNF-AL-DEP, rispettivamente.

(a) OXCNF-WA-SUS

(b) OXCNF-AL-SUS

(c) OXCNF-E-SUS

(d) OXCNF-WA-DEP

(e) OXCNF-AL-DEP

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

Figura 1

immagini SEM delle nanofibre di carbonio carta: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-E-SUS, OXCNF-WA-DEP, e OXCNF-AL-DEP.

Le figure 1(a) e 1(d) mostrano le immagini SEM di OXCNF-WA-SUS e OXCNF-WA-DEP, rispettivamente. Si può vedere che non si possono trovare particelle di grandi dimensioni nella Figura 1 (a). Tuttavia, le particelle più grandi possono essere chiaramente osservate nella Figura 1 (d). Le particelle più grandi provenivano dagli aggregati di nanofibre di carbonio. Le nanofibre di carbonio con diametri più piccoli sono state strettamente imballate in OXCNF-WA-SUS, il che si traduce in una maggiore densità apparente di OXCNF-WA-SUS, come mostrato nella Tabella 2. Le particelle del catalizzatore del metallo possono essere trovate sia in OXCNF-WA-SUS che in OXCNF-WA-DEP.

Un’osservazione simile è stata fatta per OXCNF-AL-SUS e OXCNF-AL-DEP, come mostrato nelle figure 1(b) e 1(e). È difficile disperdere individualmente e separare le nanofibre di carbonio e le nanofibre di carbonio depositate sono diventate gli aggregati. La differenza tra le figure 1 (d) e 1 (e) indica che era più difficile separare le nanofibre di carbonio nell’alcool che nell’acqua. Aggregati di nanofibre di carbonio più grandi possono essere trovati in Figuer 1 (e). Ci sono più nanofibre di carbonio con diametri più piccoli mostrati in Figura 1 (a) a causa di una migliore dispersione di nanofibre di carbonio in acqua. Questa osservazione può anche essere fatta confrontando i loro pesi mostrati nella Tabella 2. Circa il 30,5% in peso di nanofibre di carbonio sono state depositate in OXCNF-AL-DEP. Solo circa il 25,5% in peso di nanofibre di carbonio sono state depositate in acqua. Dalle figure 1 (a) -1 (c), OXCNF-WA-SUS aveva una buona struttura di rete di nanofibre di carbonio, in cui non si formavano grandi aggregati di nanofibre di carbonio e le singole nanofibre erano strettamente imballate all’interno della carta. Sembra che la struttura della carta in nanofibre di carbonio fosse migliore in OXCNF-AC-SUS che in OXCNF-AL-SUS.

3.2. Effetti del disperdente

Al fine di ottenere una migliore dispersione di OXCNFs in acetone, è stato utilizzato il disperdente, BYK. Per OXCNF-AC-SUS-BYK e OXCNF-AC-SUS, si è constatato che meno nanofibre di carbonio sono state depositate con l’aiuto del disperdente, come mostrato nella tabella 2. Il disperdente o tensioattivo diminuisce la tensione superficiale interfacciale o l’energia superficiale della fase solida come le nanofibre di carbonio. Pertanto, possono essere disciolti relativamente facilmente nel solvente. Nelle stesse condizioni di lavorazione, solo il 38,5% in peso di OXCNF è rimasto nella sospensione per OXCNF-AC-SUS but 60.7% in peso di OXCNF per OXCNF-AC-SUS-BYK. Grandi quantità di OXCNFs sono state disperse singolarmente in acetone con l’aiuto di BYK. La figura 2 mostra le immagini SEM di OXCNF-AC-SUS-BYK. Rispetto alla figura 1 (c), la figura 2 indica chiaramente che in OXCNF-AC-SUS-BYK è stata formata una struttura di rete più uniforme. Nella figura 1, lettera c), la carta in nanofibre di carbonio era costituita solo da OXCNF dritti con diametri maggiori. Ma c’erano alcuni OXCNFs curvi con diametri più piccoli in Figura 2. Pertanto, l’uso di BYK potrebbe migliorare la dispersione di OXCNFs.

Figura 2

Immagini SEM di carta in nanofibre di carbonio: OXCNF-AC-SUS-BYK.

3.3. Effetti del risciacquo acido

L’acido nitrico diluito è stato utilizzato per risciacquare le nanofibre di carbonio. Le figure 3 e 4 mostrano le immagini SEM di RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS e RIN-OXCNF-WA-DEP. Rispetto a OXCNF-AC-SUS-BYK in Figura 2, Figura 3(a) mostra struttura di rete uniforme senza grandi aggregati OXCNF. Il risciacquo acido ha migliorato la dispersione di OXCNF all’interno della carta costituita da nanofibre corte e piccole. Dalla Figura 1 (a), si può vedere che i OXCNF corti esistevano in fasci e riempivano i pori della carta di nanofibre di carbonio. L’OXCNF-WA-DEP aveva solo il 25,5% in peso, ma RIN-OXCNF-WA-DEP poteva arrivare fino al 38,9% in peso, come mostrato nella tabella 2. Rispetto alla figura 1 (d), la figura 4(b) mostra più aggregati di nanofibre di carbonio, sebbene la dimensione degli aggregati di nanofibre di carbonio nella Figura 1(d) fosse molto più grande. Si può concludere che non è necessario trattare OXCNFs con il risciacquo acido se l’acqua viene utilizzata come solvente. Il risciacquo acido potrebbe migliorare la dispersione delle nanofibre di carbonio nell’alcool e portare a una struttura di rete uniforme.

(a) (RIN-OXCNF-E-MAIALE-BYK

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

(a) (RIN-OXCNF-E-MAIALE-BYK
(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK

Figura 3

immagini SEM delle nanofibre di carbonio carta: RIN-OXCNF-E-MAIALE-BYK e 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

Figura 4

immagini SEM delle nanofibre di carbonio carta: RIN-OXCNF-WA-MAIALE e RIN-OXCNF-WA-DEP.

3.4. Effetti delle nanofibre di carbonio

Ci sono pochissimi siti chimici attivi sulla superficie dei NOXCNF. Pertanto, è estremamente difficile disperdere direttamente NOXCNFs in acqua e acetone. I NOXCNF sono stati facilmente aggregati dopo la sonicazione. La carta filtrata in nanofibre di carbonio aveva una superficie molto ruvida. I NOXCNFs sono stati depositati rapidamente sul fondo del becher in acqua. I flocculi NOXCNF sono stati formati in acetone. Per ottenere una sospensione stabile di NOXCNFs, è necessario utilizzare il disperdente BYK in acetone. La figura 5 mostra le morfologie di NOXCNF-AC-SUS-BYK e RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK. Per NOXCNF-AC-SUS-BYK, c’erano grandi aggregati NOXCNF e la struttura di rete non era uniforme. Ma per RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK, i grandi aggregati NOXCNF sono scomparsi e la qualità delle strutture di rete è stata migliorata. Pertanto, il risciacquo acido ha migliorato la dispersione di NOXCNF in acetone.

(a) NOXCNF-E-MAIALE-BYK

(b) RIN-NOXCNF-E-MAIALE-BYK

(a) NOXCNF-E-MAIALE-BYK
(b) RIN-NOXCNF-E-MAIALE-BYK

Figura 5

immagini SEM delle nanofibre di carbonio carta: NOXCNF-E-MAIALE-BYK e RIN-NOXCNF-E-MAIALE-BYK.

3.5. Densità di massa della carta in nanofibre di carbonio

La densità apparente è uno dei parametri importanti della carta in nanofibre di carbonio. Lo spessore, il peso, la percentuale di peso e la densità della carta in nanofibre di carbonio sono mostrati nella Tabella 2. Le densità di massa sono tracciate rispetto al numero di campione in Figura 6. Si può vedere che tutti i campioni ottenuti dalla sospensione superiore avevano densità di massa più elevate rispetto a quelle dei depositi. Ciò è dovuto alla stretta confezione di singole nanofibre uniformemente disperse nella sospensione. Le barre 1, 2 e 3 rappresentano i campioni ottenuti dalla sospensione di OXCNF in acqua, alcool e acetone, rispettivamente. La densità di massa di questi campioni dai depositi è diminuita seguendo l’ordine: acqua, alcool e acetone. Il campione della sospensione alcolica ha la densità apparente più bassa. Questo concorda molto bene con le immagini SEM mostrate in Figura 1. Rispetto al campione 3, BYK è stato utilizzato per il campione 4. Nel campione 5, OXCNF è stato risciacquato con acido nitrico diluito e disperso con l’aiuto di BYK. Sia BYK che il risciacquo acido hanno migliorato la dispersione di OXCNFs in acetone. Lo stesso fenomeno è stato osservato per i campioni ottenuti dalle soluzioni acquose OXCNF confrontando i campioni 1 e 6. Dopo il risciacquo acido, le loro densità di massa sono aumentate. Per il NOXCNF, le densità di massa dei campioni provenienti dai depositi non presentano variazioni significative. Tuttavia, il risciacquo acido ha aumentato la loro densità di massa per i campioni dalla sospensione.

Figura 6

Densità di massa di carte in nanofibre di carbonio.

4. Conclusioni

Questo documento ha studiato sistematicamente la relazione tra elaborazione e struttura della carta in nanofibre di carbonio. Si vede chiaramente che la dispersione di nanofibre di carbonio nei solventi ha svolto un ruolo importante nel determinare le strutture di rete della carta di nanofibre di carbonio. La buona dispersione ha portato a chiudere l’imballaggio di nanofibre di carbonio, che hanno formato la struttura di rete uniforme della carta con una maggiore densità apparente. Le variazioni nella qualità della dispersione hanno causato i cambiamenti nelle strutture di rete e nelle densità della carta in nanofibre di carbonio. I tipi di solventi, disperdenti, risciacquo acido e tipi di nanofibre di carbonio hanno influenzato significativamente la qualità della dispersione. È stato trovato che OXCNFs erano facilmente dispersi in acqua e alcool, ma non bene in acetone a causa dei gruppi funzionali sulla superficie della fibra. Sebbene ci fossero pochi gruppi funzionali su NOXCNFs, sono stati facilmente dispersi in acetone con l’aiuto del disperdente. Inoltre, il trattamento con acido nitrico diluito ha migliorato la dispersione nei solventi. Pertanto, la struttura di rete della carta in nanofibre di carbonio può essere controllata e ottimizzata scegliendo i parametri di elaborazione appropriati.

Riconoscimenti

Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal programma nanomanufacturing della National Science Foundation sotto Grant no. 0757302 gestito dal program manager, Dr. Shaochen Chen. Il riconoscimento è fatto anche al Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) programma sotto Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Tutte le opinioni, i risultati e le conclusioni o le raccomandazioni espresse in questo materiale sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della National Science Foundation.