Streszczenie

w niniejszym badaniu zbadano unikalną koncepcję wytwarzania nanokompozytów z papieru z nanowłókna węglowego. Podstawowym elementem tej metody było zaprojektowanie i wyprodukowanie papieru z nanowłókien węglowych o dobrze kontrolowanej i zoptymalizowanej strukturze sieciowej nanowłókien węglowych. W tym badaniu papier z nanowłókien węglowych przygotowano w różnych warunkach przetwarzania, w tym w różnych rodzajach nanowłókien węglowych, rozpuszczalników, dyspergatorów i obróbki kwasem. Morfologie nanowłókien węglowych w papierze z nanowłókien scharakteryzowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (sem). Ponadto zmierzono gęstości masowe Papierów z nanowłókna węglowego. Stwierdzono, że gęstości i struktury sieciowe papieru z nanowłókien węglowych są skorelowane z jakością dyspersji nanowłókien węglowych w papierze, na co znacząco wpłynęły warunki procesu produkcji papieru.

1. Wprowadzenie

różne nanocząstki zostały włączone do żywic polimerowych w celu wytworzenia nanokompozytów do szerokiego zakresu zastosowań . Wśród nich nanorurki węglowe i nanowłókna węglowe przyciągnęły znaczące zainteresowania badawcze ze względu na ich unikalne cechy i właściwości, takie jak wysoka wytrzymałość i moduł, niska gęstość, wysoka powierzchnia, dobra stabilność chemiczna, wysoka przewodność elektryczna i cieplna oraz odporność ogniowa. Chociaż istnieją różne techniki przetwarzania do wytwarzania nanokompozytów polimerowych, są one głównie podzielone na trzy kategorie: (A) przetwarzanie roztworu , (b) mieszanie stopu za pomocą mieszalnika wsadowego lub urządzenia ciągłego, takiego jak Wytłaczarka, oraz (c) polimeryzacja in situ . Mechaniczne i fizyczne właściwości nanokompozytów polimerowych mają duże różnice ze względu na problemy związane z przetwarzaniem.

Ogólnie Rzecz Biorąc, nanorurki węglowe i nanowłókna węglowe składają się z cylindrów grafitowych o średnicach 1-100 nm i wysokich proporcjach kilku mikro długości, co prowadzi do wysokiej siły van der Waalsa między sąsiednimi nanorurkami lub nanowłóknami. Wysokie siły van der Waalsa i wysoki współczynnik kształtu z kombinacją wysokiej elastyczności sprawiają, że nanorurki i nanowłókna łatwo się agregują. W rezultacie trudno jest indywidualnie rozproszyć nanorurki lub nanowłókna do żywic polimerowych. Dodanie niewielkiej ilości nanowłókien węglowych znacznie zwiększy również lepkość żywicy. Szczególnie podczas przetwarzania kompozytów polimerowych wzmocnionych włóknami, przepływ żywicy przez maty włókniste staje się bardzo trudny. Maty włókniste będą również odfiltrowywać nanorurki i nanowłókna podczas procesu formowania cieczy, takiego jak formowanie przenoszące żywicę i formowanie przenoszące żywicę wspomagane próżniowo . Ponadto obecność nanorurek lub nanowłókien może znacząco modyfikować lokalne zachowanie krystalizacji żywic polimerowych poprzez bezpośrednie oddziaływanie polimer / cząsteczka na styku lub modyfikację temperatury i pola naprężeń wokół i między nanorurek lub nanowłókien.

zbadano unikalną koncepcję wytwarzania nanokompozytów z papieru z nanowłókien węglowych . Podejście to obejmuje wytwarzanie papieru z nanowłókien węglowych poprzez filtrację zawiesiny dobrze zdyspergowanych nanowłókien węglowych w kontrolowanych warunkach procesowych. Taki papier specjalistyczny ma jednolitą strukturę sieci utworzoną przez splątanie nanowłókien. Papier z nanowłókna węglowego można dodatkowo zintegrować z tradycyjnymi laminatami kompozytowymi wzmocnionymi włóknami poprzez procesy formowania w płynie. Właściwości strukturalne papieru z nanowłókien węglowych, takie jak rozmiar porów i orientacja, mogą znacząco wpływać na penetrację żywic polimerowych. W pracy tej systematycznie badano korelację między morfologiami a warunkami przetwarzania pracy. W szczególności zbadano wpływ różnych rodzajów nanowłókien węglowych, rozpuszczalników, dyspergatorów i obróbki kwasem na mikrostruktury papieru z nanowłókien węglowych. Warunki przetwarzania zostały dobrane tak, aby papier z nanowłókien węglowych miał optymalną strukturę.

2. Eksperymentalny

nanowłókno węglowe wyhodowane w oparach zostało dostarczone przez firmę Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, USA. Zastosowano dwa rodzaje nanowłókien węglowych: oxidized carbon nanofiber (OXCNF) i nonoxidized carbon nanofiber (NOXCNF). W porównaniu z NOXCNF, OXCNF miał więcej grup funkcyjnych, takich jak grupa hydroksylowa (- OH) i kwas karboksylowy (- COOH). OXCNF i NOXCNF przepłukano rozcieńczonym kwasem azotowym. Nanowłókna węglowe poddane obróbce kwasem zostały oznaczone jako Rin-OXCNF i Rin-NOXCNF. Podczas płukania nanowłókien węglowych OXCNF lub NOXCNF najpierw mieszano w kwasie azotowym 2M w temperaturze pokojowej przez 2 godziny. Następnie roztwór przesączono przez 4-metrową membranę poliwęglanową i przepłukano wodą aż do całkowitego usunięcia kwasu azotowego. W tym badaniu jako rozpuszczalniki użyto wody dejonizowanej (WA), alkoholu etylowego (AL) i acetonu (AC). Dyspersant (DISPERBYK – 191; BYK-Chemie, Wesel. Niemcy) został wykorzystany do pomocy w rozpraszaniu nanowłókien węglowych. BYK miał wartości aminowe 20 mg KOH / g i kwasowe 30 mg KOH / g i mógł pracować poprzez steryczną stabilizację nanowłókien węglowych.

papier z nanowłókna Węglowego został wytworzony przy użyciu następujących procedur. Poddane obróbce lub otrzymane nanowłókna węglowe w ilości 200 mg mielono, umieszczając je w moździerzu i dodając niewielką ilość rozpuszczalnika. Po zmieleniu przeniesiono je do zlewki o pojemności 500 mL. i dodano 400 mL rozpuszczalnika. Zawiesinę poddano działaniu ultradźwięków za pomocą sonikatora o wysokiej intensywności przez 20 minut. Po wstępnej sonikacji, zarówno roztwór, jak i sonda zostały schłodzone do temperatury pokojowej. Następnie do zawiesiny Dodano 1 mL preparatu BYK. Zawieszenie poddano działaniu ultradźwięków przez kolejne 20 minut w tym samym stanie. Tak przygotowane zawieszenie pozwolono osiąść z dnia na dzień. Zebrano 300 mL zawiesiny na górnym poziomie zlewki. Pozostałe 100 mL zawiesiny zawierającej pewne osady zmieszano z 200 mL rozpuszczalnika i poddano działaniu ultradźwięków przez kolejne 10 minut. Papier z nanowłókien węglowych wykonano przez filtrowanie zawiesiny przez hydrofilowy poliwęglan o grubości 0,4 m lub hydrofobową membranę teflonową w wysokociśnieniowym systemie filtracji. Papier z nanowłókna węglowego suszy się dalej w piekarniku w temperaturze 120 przez 2 godziny. W tym badaniu wykonano osiem grup próbek w różnych kombinacjach różnych rodzajów nanowłókien węglowych, rozpuszczalników, BYK, zawiesin lub osadów, jak pokazano w tabeli 1. Próbki papieru z nanowłókien węglowych zostały wyznaczone na podstawie warunków ich przetwarzania. Na przykład Rin-OXCNF-AC-sus-BYK oznacza, że próbka została wykonana z zawiesiny Rin-OXCNF w acetonie, która została zdyspergowana za pomocą dyspergatora BYK. OXCNF, Rin-OXCNF, NOXCNF i Rin-NOXCNF to cztery rodzaje nanowłókien węglowych. Zastosowano trzy rodzaje rozpuszczalników, w tym wodę, alkohol i aceton. SUS i DEP wskazują odpowiednio próbki z górnej zawiesiny lub złoża.

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. Różnice w jakości dyspersji wynikają z powierzchniowych grup funkcjonalnych Oxcnf. Zawiesina Oxcnf w wodzie i alkoholu etylowym była stabilna. Ale nanowłókna węglowe łatwo aglomerowane w acetonie po zakończeniu sonikacji. Zarówno woda, jak i alkohol są bardziej polarnym rozpuszczalnikiem niż aceton. Utleniony nanowłókno węglowe ma więcej grup funkcjonalnych, takich jak OH, COOH i tak dalej w roztworze. Dlatego interakcja między grupami polarnymi (tj. grupami OH na nanowłóknach i grupami OH alkoholu lub wody) prowadzi do lepszej jakości dyspersji. Wyprodukowano sześć próbek papieru z nanowłókien węglowych: OXCNF-WA-sus, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-sus, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-i-SUS oraz OXCNF-AC-DEP. Ryciny 1(A) -1 (e) przedstawiają obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) odpowiednio OXCNF-WA-sus, OXCNF-AL-sus, OXCNF-i-SUS, OXCNF-WA-DEP i OXCNF-AL-DEP.

(a) OXCNF-WA-SOUSSE

(b) OXCNF-AL-SOUSSE

(c) OXCNF-I-SOUSSE

(d) OXCNF-WA-DEP

(e) OXCNF-AL-DEP

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

Rysunek 1

SEM-obrazy papieru z włókna нановолокна: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-I-SUS, OXCNF-WA-DEP i OXCNF-AL-DEP.

ryciny 1 (A) i 1 (d) pokazują obrazy sem odpowiednio OXCNF-WA-sus i OXCNF-WA-DEP. Widać, że na rycinie 1(a) nie widać dużych cząstek. Jednak duże cząstki można wyraźnie zaobserwować na rycinie 1 (d). Duże cząstki pochodziły z agregatów nanowłókien węglowych. Nanowłókna węglowe o mniejszych średnicach były ściśle pakowane w OXCNF-WA-sus, co skutkuje wyższą gęstością nasypową OXCNF-WA-sus, jak pokazano w tabeli 2. Metalowe cząstki katalizatora można znaleźć zarówno w OXCNF-WA-SUS, jak i OXCNF-WA-DEP.

podobne obserwacje przeprowadzono dla OXCNF-AL-SUS i OXCNF-AL-DEP, jak pokazano na rysunkach 1(b) i 1(e). Trudno jest indywidualnie rozproszyć i oddzielić nanowłókna węglowe, a zdeponowane nanowłókna węglowe stały się agregatami. Różnica między rysunkami 1 (d) i 1(e) wskazuje, że rozdzielanie nanowłókien węglowych w alkoholu było trudniejsze niż w wodzie. Większe Agregaty z nanowłókien węglowych można znaleźć na rysunku 1 (e). Istnieje więcej nanowłókien węglowych o mniejszych średnicach pokazanych na fig. 1 (a) ze względu na lepszą dyspersję nanowłókien węglowych w wodzie. Obserwację tę można również przeprowadzić porównując ich wagi przedstawione w tabeli 2. Około 30,5% wagowych nanowłókien węglowych osadzono w OXCNF-AL-DEP. Tylko około 25,5% wagowych nanowłókien węglowych zostało osadzonych w wodzie. Z fig. 1 (A) -1 (c), OXCNF-WA-sus miał dobrą strukturę sieciową nanowłókien węglowych, w których nie powstały duże agregaty nanowłókien węglowych, a poszczególne nanowłókna były ściśle pakowane w papier. Wydaje się, że struktura papieru z nanowłókien węglowych była lepsza w OXCNF-AC-SUS niż w OXCNF-AL-sus.

3.2. Działanie środka dyspergującego

w celu uzyskania lepszej dyspersji Oxcnf w acetonie zastosowano środek dyspergujący BYK. W przypadku OXCNF-AC-SUS-BYK i OXCNF-AC-sus stwierdzono, że za pomocą dyspergatora osadzano mniej nanowłókien węglowych, jak pokazano w tabeli 2. Dyspergator lub środek powierzchniowo czynny zmniejsza napięcie powierzchniowe międzyfazowe lub energię powierzchniową fazy stałej, jak nanowłókna węglowe. Dlatego można je stosunkowo łatwo rozpuścić w rozpuszczalniku. W tych samych warunkach przetwarzania tylko 38,5% wagowych Oxcnf pozostało w zawiesinie dla OXCNF-AC-SUS, ale 60.7% wagowych OXCNFs dla OXCNF-AC-SUS-BYK. Duża ilość Oxcnf były indywidualnie rozproszone w acetonie za pomocą BYK. Rysunek 2 przedstawia obrazy sem OXCNF-AC-SUS-BYK. W porównaniu do Fig. 1 (c), fig. 2 wyraźnie wskazuje, że w OXCNF-AC-SUS-BYK powstała bardziej jednolita struktura sieci. Na fig. 1 (c) papier z nanowłókna węglowego składał się tylko z prostych Oksygnf o większych średnicach. Ale było kilka zakrzywionych Oxcnf o mniejszych średnicach na rysunku 2. W związku z tym zastosowanie BYK mogłoby poprawić dyspersję Oxcnf.

Rysunek 2

obrazy SEM papieru z nanowłókien węglowych: OXCNF-AC-SUS-BYK.

3.3. Efekty płukania kwasem

do płukania nanowłókien węglowych użyto rozcieńczonego kwasu azotowego. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono obrazy SEM Rin-OXCNF-AC-sus-BYK, Rin-OXCNF-AC-Dep-BYK, Rin-OXCNF-WA-sus i Rin-OXCNF-WA-DEP. W porównaniu z OXCNF-AC-SUS-BYK na fig. 2, Fig. 3 (a) pokazuje jednolitą strukturę sieci bez dużych agregatów OXCNF. Płukanie kwasem poprawiło dyspersję Oxcnf w papierze składającym się z krótkich i małych nanowłókien. Na rysunku 1 (a) widać, że krótkie Oxcnf istniały w wiązkach i wypełniały pory papieru z nanowłókien węglowych. OXCNF-WA-DEP miał tylko 25,5% wagowych, ale RIN-OXCNF-WA-Dep mógł osiągnąć nawet 38,9% wagowych, jak pokazano w tabeli 2. W porównaniu do Fig.1(d), Fig. 4(b) pokazuje więcej agregatów z nanowłókien węglowych, chociaż rozmiar agregatów z nanowłókien węglowych na fig. 1(d) był znacznie większy. Można stwierdzić, że nie jest konieczne oczyszczanie Oxcnf płukaniem kwasem, jeśli woda jest używana jako rozpuszczalnik. Płukanie kwasem może poprawić dyspersję nanowłókien węglowych w alkoholu i prowadzić do jednolitej struktury sieci.

(a) RYN-ОКСКНФ-I-ty ŚWINIO-BYK

(b) RIN-ОКСКНФ-AK-DEP-BULL

(a) RYN-ОКСКНФ-I-ty ŚWINIO-BYK
(b) RIN-OXCNF-AC-DEP-BUCK …

(a) RYN-ОКСКНФ-WA-SOUSSE

(b) RIN-ОКСКНФ-WA-DEP

(a) RYN-ОКСКНФ-WA-SOUSSE
(b) RIN-OXCNF-WA-DEP

3.4. Wpływ nanowłókien węglowych

na powierzchni Noxcnf jest bardzo niewiele aktywnych miejsc chemicznych. Dlatego niezwykle trudno jest bezpośrednio rozproszyć NOXCNFs w wodzie i acetonie. Noxcnfs były łatwo agregowane po sonikacji. Filtrowany papier z nanowłókien węglowych miał bardzo chropowatą powierzchnię. Noxcnfs zostały szybko osadzone na dnie zlewki w wodzie. Flokule NOXCNF powstały w acetonie. W celu uzyskania stabilnej zawiesiny NOXCNFs konieczne jest użycie dyspergatora BYK w acetonie. 5 przedstawia morfologie NOXCNF-AC-sus-BYK i RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK. W przypadku NOXCNF-AC-SUS-BYK istniały duże agregaty NOXCNF, a struktura sieci nie była jednolita. Jednak w przypadku RIN-NOXCNF-AC-sus-BYK zniknęły duże agregaty NOXCNF, a jakość struktur sieci została poprawiona. Dlatego płukanie kwasem zwiększyło dyspersję NOXCNF w acetonie.

(a) NOXCNF-I-ty ŚWINIO-BYK

(b) RIN – NOXCNF-I-ty ŚWINIO-BYK

(a) NOXCNF-I-ty ŚWINIO-BYK
(b) RIN-NOXCNF-I-ty ŚWINIO-BYK

3.5. Gęstość nasypowa papieru z nanowłókien węglowych

gęstość nasypowa jest jednym z ważnych parametrów papieru z nanowłókien węglowych. Grubość, waga, procent wagowy i gęstość papieru z nanowłókien węglowych przedstawiono w tabeli 2. Gęstości masowe są wykreślane na podstawie numeru próbki na fig. 6. Można zauważyć, że wszystkie próbki wykonane z górnej zawiesiny miały wyższe gęstości luzem niż te ze złóż. Wynika to z Bliskiego upakowania pojedynczych nanowłókien równomiernie rozproszonych w zawiesinie. Pręty 1, 2 i 3 przedstawiają próbki wykonane z zawiesiny OXCNF odpowiednio w wodzie, alkoholu i acetonie. Gęstości masowe tych próbek ze złóż zmniejszyły się według kolejności: wody, alkoholu i acetonu. Próbka z zawiesiny alkoholu ma najniższą gęstość nasypową. Zgadza się to bardzo dobrze z obrazami SEM pokazanymi na rysunku 1. W porównaniu z próbką 3, BYK został użyty do próbki 4. W próbce 5 OXCNF przepłukano rozcieńczonym kwasem azotowym i rozproszono za pomocą BYK. Zarówno byk, jak i acid rinse poprawiły dyspersję Oxcnf w acetonie. To samo zjawisko zaobserwowano dla próbek wykonanych z roztworów wodnych OXCNF poprzez porównanie próbek 1 i 6. Po płukaniu kwasem zwiększono ich gęstość objętościową. W przypadku NOXCNF gęstości masowe próbek ze złóż nie ulegają znaczącym zmianom. Jednak płukanie kwasem zwiększyło ich gęstość objętościową próbek z zawiesiny.

Rysunek 6

masowe gęstości Papierów z nanowłókien węglowych.

4. Wnioski

artykuł ten systematycznie badał związek między przetwarzaniem a strukturą papieru z nanowłókien węglowych. Wyraźnie widać, że dyspersja nanowłókien węglowych w rozpuszczalnikach odegrała ważną rolę w określaniu struktur sieciowych papieru z nanowłókien węglowych. Dobra dyspersja doprowadziła do ścisłego pakowania nanowłókien węglowych, które tworzyły jednolitą strukturę sieciową papieru o większej gęstości nasypowej. Różnice w jakości dyspersji spowodowały zmiany w strukturze sieci i gęstości papieru z nanowęglowej nanowłókien. Rodzaje rozpuszczalników, dyspergatorów, płukania kwasem i rodzaje nanowłókien węglowych znacząco wpłynęły na jakość dyspersji. Stwierdzono, że Oxcnf były łatwo rozproszone w wodzie i alkoholu, ale nie dobrze w acetonie ze względu na grupy funkcjonalne na powierzchni włókien. Chociaż na NOXCNFs było niewiele grup funkcyjnych, łatwo je rozproszyć w acetonie za pomocą dyspergatora. Ponadto obróbka rozcieńczonym kwasem azotowym poprawiła dyspersję w rozpuszczalnikach. W związku z tym struktura sieciowa papieru z nanowłókien węglowych może być kontrolowana i optymalizowana poprzez wybór odpowiednich parametrów przetwarzania.

podziękowania

Ten materiał jest oparty na pracach wspieranych przez program nanomanufacturing National Science Foundation w ramach grantu nr 0757302 zarządzanego przez kierownika programu, Dr Shaochen Chen. Uznanie jest również wykonane do Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) program w ramach grantu nr. FSU#218007-530-024809-R010689. Wszelkie opinie, wnioski i zalecenia wyrażone w tym materiale są opiniami autorów i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy National Science Foundation.