Abstract
een uniek concept van het maken van nanocomposieten uit koolstof nanofiberpapier werd onderzocht in deze studie. Het essentiële element van deze methode was het ontwerpen en produceren van koolstof nanovezels papier met goed gecontroleerde en geoptimaliseerde netwerkstructuur van koolstof nanovezels. In deze studie, werd het koolstofnanofiberdocument voorbereid onder diverse Verwerkingsvoorwaarden, met inbegrip van verschillende types van koolstofnanofibers, oplosmiddelen, dispergeermiddelen, en zure behandeling. De morfologieën van koolstof nanofibers binnen het nanofiberpapier werden gekarakteriseerd met scanning elektronenmicroscopie (SEM). Daarnaast werden de bulkdichtheden van koolstof nanovezel papier gemeten. Er werd vastgesteld dat de dichtheden en netwerkstructuren van koolstof nanovezel papier correleerden met de dispersie kwaliteit van koolstof nanovezel in het papier, die aanzienlijk werd beïnvloed door de omstandigheden van het papierproces.
1. Inleiding
een verscheidenheid aan nanodeeltjes is in polymeerharsen verwerkt om nanocomposieten te maken voor een breed scala aan toepassingen . Onder hen hebben koolstofnanotubes en koolstofnanofibers significante onderzoeksbelangen aangetrokken toe te schrijven aan hun unieke eigenschappen en eigenschappen zoals met hoge weerstand en modulus, lage dichtheid, hoge oppervlakte, goede chemische stabiliteit, hoge elektrische en thermische geleidbaarheid, en brandweerstand. Hoewel er verschillende verwerkingstechnieken zijn om polymeernanocomposieten te fabriceren, zijn ze voornamelijk onderverdeeld in drie categorieën: (a) oplossingsverwerking, (b) smeltmenging met behulp van een batchmixer of continu apparaat zoals een extruder, en (C) in situ polymerisatie . De mechanische en fysische eigenschappen van polymeer nanocomposieten hebben grote variaties toe te schrijven aan verwerkingsgerelateerde kwesties.
in het algemeen bestaan koolstofnanobuisjes en koolstofnanofibers uit grafitische cilinders met diameters van 1-100 nm en hoge beeldverhoudingen van enkele microlengtes, wat leidt tot een hoge Van der Waals-kracht tussen aangrenzende nanobuisjes of nanofibers. De hoge Van der Waals krachten en hoge beeldverhoudingen met een combinatie van hoge flexibiliteit maken de nanobuisjes en nanovezels gemakkelijk samen te voegen. Dientengevolge, is het moeilijk om de nanotubes of de nanofibers individueel in polymeerharsen te verspreiden. De toevoeging van een kleine hoeveelheid koolstof nanovezels zal ook de viscositeit van de hars aanzienlijk verhogen. Vooral tijdens de verwerking van vezelversterkte polymeercomposieten wordt de harsstroom door de vezelmatten erg moeilijk. De vezelmatten filteren ook de nanobuisjes en nanovezels tijdens vloeibaar vormproces, zoals hars transfer molding en vacuüm-geassisteerde hars transfer molding . Bovendien kan de aanwezigheid van nanotubes of nanofibers beduidend het lokale kristallisatiegedrag van polymeerharsen of door de directe polymeer/deeltjesinteractie bij de interface of de wijziging van temperatuur en spanningsveld rond en tussen de nanotubes of nanofibers wijzigen.
een uniek concept van het maken van nanocomposieten uit koolstofnanofiberpapier is onderzocht . Deze benadering impliceert het maken van koolstofnanofiberdocument door de filtratie van de opschorting van goed-verspreide koolstofnanofibers onder gecontroleerde procesvoorwaarden. Zo ‘ n speciaal papier heeft een uniforme netwerkstructuur gevormd door de verstrengeling van de nanovezels. Het koolstofnanofiberpapier kan verder worden geïntegreerd in traditionele vezelversterkte composietlaminaten door middel van vloeibare vormprocessen. De structurele kenmerken van koolstofnanofiberdocument zoals poriegrootte en oriëntatie kunnen de penetratie van polymeerharsen beduidend beà nvloeden. In deze studie werd de correlatie tussen de morfologie en de verwerkingscondities van het artikel systematisch bestudeerd. Specifiek, werden de gevolgen van verschillende types van koolstof nanovezel, oplosmiddel, dispergeermiddel, en zure behandeling op de microstructuren van koolstof nanovezel document onderzocht. De verwerkingsomstandigheden werden gekozen om koolstof nanovezel papier met een optimale structuur te maken.
2. Experimentele
door damp geteelde koolstofnanofiber werd geleverd door Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, USA. Twee soorten koolstof nanovezels werden gebruikt: geoxideerde koolstof nanovezels (OXCNF) en niet-geoxideerde koolstof nanovezels (NOXCNF). In vergelijking met NOXCNF had OXCNF meer functionele groepen, zoals hydroxylgroep (–OH) en carbonzuur (–COOH). OXCNF en NOXCNF werden gespoeld met verdund salpeterzuur. De met zuur behandelde koolstofnanofibers werden aangeduid als RIN-OXCNF en RIN-NOXCNF. Tijdens het spoelen van koolstof nanovezels werd OXCNF of NOXCNF eerst 2m salpeterzuur bij kamertemperatuur geroerd gedurende 2 uur. De oplossing werd vervolgens gefilterd door een membraan van 4 m polycarbonaat en met water gespoeld totdat het salpeterzuur volledig was verwijderd. In deze studie werden gedeïoniseerd water (WA), ethylalcohol (AL) en aceton (AC) gebruikt als oplosmiddelen. Het dispergeermiddel (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Duitsland) werd gebruikt om de verspreiding van koolstof nanovezels te bevorderen. De BYK had aminewaarden van 20 mg KOH / g en zuurwaarde van 30 mg KOH / g en kon door sterische stabilisatie van koolstofnanofibers werken.
Koolstofnanofiberpapier werd vervaardigd met behulp van de volgende procedures. De zoals-behandelde of zoals-ontvangen koolstof nanofibers van 200 mg werden gemalen door hen in een mortel te plaatsen en een kleine hoeveelheid oplosmiddel toe te voegen. Na het malen werden ze overgebracht in een bekerglas van 500 mL. en 400 mL oplosmiddel werd toegevoegd. De suspensie werd gedurende 20 minuten gesoniceerd met een sonicator met hoge intensiteit. Na de eerste sonicatie werden zowel de oplossing als de sonde afgekoeld tot kamertemperatuur. Daarna werd 1 mL BYK aan de suspensie toegevoegd. De suspensie werd nog eens 20 minuten onder dezelfde conditie gesoniceerd. De as-prepared schorsing werd toegestaan om ‘ s nachts te settelen. 300 mL suspensie op het bovenste niveau van het bekerglas werd verzameld. De resterende 100 mL suspensie met enkele afzettingen werd gemengd met 200 mL oplosmiddel en gedurende nog eens 10 minuten gesoniceerd. Het koolstof nanofiberpapier werd gemaakt door de suspensie door 0,4 m hydrofiele polycarbonaat of hydrofobe Teflon membraan onder een hoge druk filtratiesysteem te filteren. Het carbon nanofiber papier werd verder gedroogd in de oven op 120 gedurende 2 uur. In deze studie werden acht groepen monsters gemaakt onder verschillende combinaties van verschillende soorten koolstof nanovezels, oplosmiddelen, BYK, suspensie of Neerslag, zoals weergegeven in Tabel 1. De steekproeven van koolstofnanofiberpapier werden aangewezen gebaseerd op hun Verwerkingsvoorwaarden. RIN-OXCNF-AC-sus-BYK vertegenwoordigt bijvoorbeeld dat het monster werd gemaakt van Rin-OXCNF-suspensie in aceton, dat werd gedispergeerd met behulp van dispergeermiddel BYK. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF, en RIN-NOXCNF zijn vier soorten koolstof nanovezels. Er werden drie soorten oplosmiddelen gebruikt, waaronder water, alcohol en aceton. SUS en DEP geven de monsters van de bovenste suspensie of de storting, respectievelijk.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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. De variaties in de dispersie kwaliteit zijn te wijten aan de oppervlakte functionele groepen van OXCNFs. De suspensie van OXCNFs in water en ethylalcohol was stabiel. Maar koolstof nanovezels kunnen makkelijk in aceton geagglomereerd worden zodra de sonicatie voorbij was. Zowel water als alcohol zijn meer polair oplosmiddel dan aceton. De geoxideerde koolstof nanovezel heeft meer functionele groepen zoals Oh, COOH, enzovoort in de oplossing. Daarom leidt de interactie tussen de polaire groepen (d.w.z. OH-groepen op de nanovezel en OH-groepen van alcohol of water) tot een betere dispersie. Er werden zes monsters van koolstofnanovezelpapier gemaakt: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-sus, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-en-SUS en OXCNF-AC-DEP. Figuur 1 (A) -1(e) toont de scanning elektronenmicroscopie (sem) beelden van respectievelijk OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-sus, OXCNF-en-SUS, OXCNF-WA-DEP en OXCNF-AL-DEP.
(a) OXCNF-WA-SUS
(b) OXCNF-AL-SUS
(c) OXCNF-EN-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
figuur 1 (a) en 1 (d) Tonen de SEM-beelden van respectievelijk OXCNF-WA-SUS en OXCNF-WA-DEP. In Figuur 1(a) kunnen geen grote deeltjes worden gevonden. Grote deeltjes kunnen echter duidelijk worden waargenomen in Figuur 1 (d). De grote deeltjes kwamen uit de aggregaten van koolstof nanovezels. Koolstofnanofibers met kleinere diameters waren nauw verpakt in OXCNF-WA-SUS, wat resulteert in een hogere bulkdichtheid van OXCNF-WA-SUS, zoals weergegeven in Tabel 2. De metaalkatalysatordeeltjes kunnen zowel in OXCNF-WA-SUS als in OXCNF-WA-DEP worden gevonden.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Note: (a) Total weight of carbon nanofibers from the suspension and deposit; (b) sample diameter 39 mm. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
soortgelijke waarnemingen werden gedaan voor OXCNF-AL-SUS en OXCNF-al-DEP, zoals weergegeven in Figuur 1(b) en 1(e). Het is moeilijk om koolstofnanofibers individueel te verspreiden en te scheiden, en de gedeponeerde koolstofnanofibers werden de aggregaten. Het verschil tussen Figuur 1 (d) en figuur 1(e) geeft aan dat het moeilijker was om koolstofnanofibers in alcohol te scheiden dan in water. Grotere koolstof nanovezel aggregaten zijn te vinden in Figuer 1 (e). Er zijn meer koolstof nanovezels met kleinere diameters weergegeven in Figuur 1 (a) als gevolg van een betere verspreiding van koolstof nanovezels in water. Deze constatering kan ook worden gedaan door de in Tabel 2 aangegeven gewichten te vergelijken. Ongeveer 30,5 wt % koolstof nanovezels werden afgezet in OXCNF-AL-DEP. Slechts ongeveer 25,5 wt % koolstof nanovezels werden afgezet in water. Uit Figuur 1(A)-1(c) blijkt dat OXCNF-WA-SUS een goede netwerkstructuur van koolstofnanofibers had, waarin geen grote koolstofnanofibers werden gevormd en individuele nanofibers nauw in het papier waren verpakt. Het lijkt erop dat de structuur van koolstof nanovezelpapier beter was in OXCNF-AC-SUS dan in OXCNF-AL-SUS.
3.2. Effecten van dispergeermiddel
om een betere dispersie van OXCNFs in aceton te verkrijgen, werd het dispergeermiddel, BYK, gebruikt. Voor OXCNF-AC-sus-BYK en OXCNF-AC-sus werd vastgesteld dat met behulp van het dispergeermiddel minder koolstof nanovezels werden afgezet, zoals blijkt uit Tabel 2. De dispergeermiddel of oppervlakteactieve stof vermindert de interfaciale oppervlaktespanning of oppervlakte-energie van de vaste fase zoals koolstof nanofibers. Daarom kunnen ze relatief gemakkelijk worden opgelost in het oplosmiddel. Onder dezelfde verwerkingsomstandigheden bleef slechts 38,5 wt% van de Oxcnf ‘ s in de suspensie voor OXCNF-AC-SUS, maar 60.7 wt % OXCNFs voor OXCNF-AC-SUS-BYK. Grote hoeveelheden OXCNFs werden afzonderlijk met behulp van BYK in aceton gedispergeerd. Figuur 2 toont de SEM beelden van OXCNF-AC-sus-BYK. In vergelijking met Figuur 1(c) geeft Figuur 2 duidelijk aan dat in OXCNF-AC-SUS-BYK een uniformere netwerkstructuur werd gevormd. In Figuur 1 (c) bestond koolstofnanofiberpapier alleen uit rechte Oxcnf ‘ s met grotere diameters. Maar er waren enkele gebogen OXCNFs met kleinere diameters in Figuur 2. Daarom kan het gebruik van BYK de verspreiding van OXCNFs verbeteren.
3.3. Effecten van zure spoeling
het verdunde salpeterzuur werd gebruikt om koolstof nanovezels te spoelen. De figuren 3 en 4 tonen de SEM-beelden van RIN-OXCNF-AC-sus-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS en RIN-OXCNF-WA-DEP. Vergeleken met OXCNF-AC-sus-BYK in Figuur 2 toont figuur 3(a) een uniforme netwerkstructuur zonder grote oxcnf-aggregaten. De zuurspoeling verbeterde de dispersie van OXCNFs in het papier bestaande uit korte en kleine nanovezels. Uit Figuur 1 (a) blijkt dat korte Oxcnf ‘ s in bundels bestonden en de poriën van koolstofnanofiberpapier vulde. Het OXCNF-WA-DEP had slechts 25,5 wt%, maar RIN-OXCNF-WA-DEP kon oplopen tot 38,9 wt%, zoals blijkt uit Tabel 2. In vergelijking met Figuur 1(d) toont figuur 4(b) meer koolstof nanovezel aggregaten, hoewel de omvang van koolstof nanovezel aggregaten in Figuur 1(d) veel groter was. Geconcludeerd kan worden dat het niet nodig is OXCNFs te behandelen met de zuurspoeling als het water als oplosmiddel wordt gebruikt. De zure spoeling kan de verspreiding van koolstof nanovezels in alcohol verbeteren en leiden tot een uniforme netwerkstructuur.
(a) RIN-OXCNF-EN-VARKEN-BYK
(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK
(a) RIN-OXCNF-EN-VARKEN-BYK
(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK
SEM beelden van de koolstof nanovezels papier: RIN-OXCNF-EN-VARKEN-BYK en 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
SEM beelden van de koolstof nanovezels papier: RIN-OXCNF-WA-VARKEN en RIN-OXCNF-WA-DEP.
3.4. Effecten van Koolstofnanofibers
Er zijn zeer weinig actieve chemische locaties op het oppervlak van NOXCNFs. Daarom is het uiterst moeilijk om NOXCNFs direct te dispergeren in water en aceton. De NOXCNFs werden na de sonication gemakkelijk samengevoegd. Het gefilterde koolstof nanovezel papier had een zeer ruw oppervlak. De Noxcnf ‘ s werden snel op de bodem van het bekerglas in water afgezet. De noxcnf vlokken werden gevormd in aceton. Om een stabiele suspensie van NOXCNFs te verkrijgen, moet het dispergeermiddel BYK in aceton worden gebruikt. Figuur 5 toont de morfologieën van NOXCNF-AC-sus-BYK en RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK. Voor NOXCNF-AC-sus-BYK waren er grote noxcnf-aggregaten en was de netwerkstructuur niet uniform. Maar voor RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK verdwenen de grote noxcnf-aggregaten en werd de kwaliteit van de netwerkstructuren verbeterd. Daarom verbeterde de zure spoeling de dispersie van NOXCNF in aceton.
(a) NOXCNF-EN-VARKEN-BYK
(b) RIN-NOXCNF-EN-VARKEN-BYK
(a) NOXCNF-EN-VARKEN-BYK
(b) RIN-NOXCNF-EN-VARKEN-BYK
SEM beelden van de koolstof nanovezels papier: NOXCNF-EN-VARKEN-BYK en RIN-NOXCNF-EN-VARKEN-BYK.
3.5. Bulkdichtheden van Koolstofnanofiberpapier
de bulkdichtheid is een van de belangrijke parameters van koolstofnanofiberpapier. De dikte, het gewicht, het gewicht percentage en de dichtheid van koolstof nanovezel papier zijn weergegeven in Tabel 2. De bulkdichtheden worden uitgezet tegen het monsteraantal in Figuur 6. Het kan worden gezien dat alle monsters gemaakt van de bovenste suspensie had hogere bulkdichtheden dan die van de afzettingen. Dit is toe te schrijven aan de nauwe verpakking van individuele nanofibers uniform verspreid in de opschorting. De staven 1, 2 en 3 vertegenwoordigen de monsters die zijn gemaakt van de suspensie van OXCNF in respectievelijk water, alcohol en aceton. De bulkdichtheden van deze steekproeven van de afzettingen verminderden door het volgen van de orde: water, alcohol, en aceton. Het monster van de alcoholsuspensie heeft de laagste bulkdichtheid. Dit stemt zeer goed overeen met de SEM beelden in Figuur 1. In vergelijking met monster 3 werd BYK gebruikt voor monster 4. In monster 5 werd OXCNF gespoeld met het verdunde salpeterzuur en gedispergeerd met behulp van BYK. Zowel BYK als acid rinse verbeterden de dispersie van OXCNFs in aceton. Hetzelfde verschijnsel werd waargenomen voor de monsters gemaakt van de OXCNF waterige oplossingen door vergelijking van monsters 1 en 6. Na het zuur spoelen, hun bulkdichtheden verhoogd. Voor NOXCNF hebben de bulkdichtheden van de monsters uit de afzettingen geen significante veranderingen. De zure spoeling verhoogde echter hun bulkdichtheid voor de monsters van de suspensie.
Bulkdichtheden van koolstof nanovezelpapier.
4. Conclusies
dit document bestudeerde systematisch de relatie tussen verwerking en structuur van koolstofnanofiberpapier. Het is duidelijk dat de dispersie van koolstofnanofibers in oplosmiddelen een belangrijke rol heeft gespeeld bij het bepalen van de netwerkstructuren van koolstofnanofiberpapier. De goede dispersie leidde tot nauwe verpakking van koolstof nanovezels, die de uniforme netwerkstructuur van het papier met een hogere bulkdichtheid vormden. De variaties in de dispersiekwaliteit veroorzaakten de veranderingen in de netwerkstructuren en dichtheden van koolstofnanofiberpapier. De soorten oplosmiddelen, dispergeermiddel, zure spoeling, en soorten koolstof nanofibers beà nvloedden beduidend de dispersie kwaliteit. OXCNFs werd gemakkelijk gedispergeerd in water en alcohol, maar niet goed in aceton vanwege de functionele groepen op het vezeloppervlak. Hoewel er weinig functionele groepen op NOXCNFs waren, werden ze gemakkelijk gedispergeerd in aceton met behulp van dispergeermiddel. Bovendien verbeterde de behandeling met verdund salpeterzuur de dispersie in de oplosmiddelen. Daarom kan de netwerkstructuur van koolstofnanofiberpapier worden gecontroleerd en geoptimaliseerd door geschikte verwerkingsparameters te kiezen.
Dankbetuigingen
Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door het nanomanufacturing program van de National Science Foundation onder subsidie nr. 0757302, beheerd door programma manager, Dr. Shaochen Chen. De erkenning wordt ook gedaan aan Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) programma onder Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Alle meningen, Bevindingen en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden geuit, zijn die van de auteurs en komen niet noodzakelijk overeen met de standpunten van de National Science Foundation.
