Abstract

A unique concept of making nanocomposites from carbon nanofiber paper was explored in this study. O elemento essencial deste método foi projetar e fabricar papel nanofiber de carbono com uma estrutura de rede bem controlada e otimizada de nanofibers de carbono. Neste estudo, nanofibras de carbono documento foi preparado sob várias condições de processamento, incluindo diferentes tipos de nanofibras de carbono, solventes, dispersantes, e ácido. As morfologias dos nanofibros de carbono dentro do papel nanofiber foram caracterizadas com microscopia eletrônica de varredura (SEM). Além disso, as densidades totais de papel nanofiber de carbono foram medidas. Verificou-se que as densidades e as estruturas de rede do papel nanofiber de carbono estavam correlacionadas com a qualidade de dispersão dos nanofibers de carbono no papel, o que foi significativamente afetado pelas condições do processo de fabricação do papel.

1. Introdução várias nanopartículas foram incorporadas em resinas poliméricas para produzir nanocompositos para uma vasta gama de aplicações . Entre eles, nanotubos de carbono e nanofibers de carbono têm atraído interesses de pesquisa significativos devido às suas características e propriedades únicas, tais como alta resistência e módulo, baixa densidade, área de superfície alta, boa estabilidade química, alta condutividade elétrica e térmica, e resistência ao fogo. Embora existam diferentes técnicas de processamento para fabricação de nanocompósitos polímero, eles são divididos principalmente em três categorias: (a) solução de processamento , (b) derreta a mistura usando um lote de misturador contínuo ou de dispositivo, tal como uma extrusora, e (c) polimerização in situ . As propriedades mecânicas e físicas dos nanocompositos poliméricos têm grandes variações devido a problemas relacionados ao processamento.geralmente, nanotubos de carbono e nanofibers de carbono consistem em cilindros graficamente com diâmetros de 1-100 nm e altas proporções de alguns micro comprimentos, levando a uma força de van der Waals alta entre nanotubos ou nanofibers adjacentes. As altas forças de van der Waals e altas proporções de aspecto com uma combinação de flexibilidades elevadas fazem com que os nanotubos e nanofibres facilmente se agregem. Como resultado, é difícil dispersar individualmente os nanotubos ou os nanofibers em resinas poliméricas. A adição de uma pequena quantidade de nanofibers de carbono também irá aumentar significativamente a viscosidade da resina. Particularmente durante o processamento de compostos poliméricos reforçados com fibras, o fluxo de resina através dos tapetes de fibra torna-se muito difícil. Os tapetes de fibra também irá filtrar os nanotubos e nanofibers durante o processo de moldagem líquida, tais como moldagem de transferência de resina e moldagem de transferência de resina assistida por vácuo . Além disso, a presença de nanotubos ou nanofibras podem modificar significativamente o local cristalização comportamento de resinas poliméricas através direta polímero/partículas de interação na interface ou a modificação da temperatura e estresse campo ao redor e entre os nanotubos ou nanofibras.

A unique concept of making nanocomposites from carbon nanofiber paper has been explored . Esta abordagem envolve a produção de papel nanofiber de carbono através da filtração da suspensão de nanofibers de carbono bem dispersos em condições controladas de processo. Tal papel especializado tem uma estrutura de rede uniforme formada através do entrelaçamento dos nanofibers. O papel nanofiber de carbono pode ser ainda mais integrado em placas compostas reforçadas por fibras tradicionais através de processos de moldagem líquida. As características estruturais do papel carbono nanofiber, tais como o tamanho dos poros e a orientação, podem afectar significativamente a penetração das resinas poliméricas. Neste estudo, a correlação entre as morfologias e as condições de processamento do papel foi sistematicamente estudada. Especificamente, foram examinados os efeitos de diferentes tipos de nanofiber de carbono, solvente, dispersante e tratamento ácido nas microestruturas de papel nanofiber de carbono. As condições de processamento foram escolhidas para fazer papel nanofiber de carbono com uma estrutura ótima.2. Experimental

Nanofiber de carbono cultivado a Vapor foi fornecido pela Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, EUA. Dois tipos de nanofibers de carbono foram usados: nanofiber de carbono oxidado (OXCNF) e nanofiber de carbono não oxidado (NOXCNF). Em comparação com NOXCNF, OXCNF tinha grupos mais funcionais, tais como grupo hidroxilo (–OH) e ácido carboxílico (–COOH). O OXCNF e o NOXCNF foram enxaguados com ácido nítrico diluído. Os nanofibers de carbono tratados com ácido foram designados como RIN-OXCNF e RIN-NOXCNF. Durante o enxaguamento de nanofibres de carbono, OXCNF ou NOXCNF foram primeiro agitados em ácido nítrico 2M à temperatura ambiente durante 2 horas. A solução foi então filtrada através de uma membrana de policarbonato de 4 m e lavada com água até que o ácido nítrico foi completamente removido. Neste estudo, água desionizada (WA), álcool etílico (AL) e acetona (AC) foram usados como solventes. O dispersante (DISPERSBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Alemanha) foi utilizada para auxiliar a dispersão de nanofibras de carbono. O BYK tinha valores de amina de 20 mg KOH/g e valor de ácido de 30 mg KOH / g e poderia funcionar através da estabilização estérica dos nanofibers de carbono.o papel nanofiber de carbono foi fabricado usando os seguintes procedimentos. Os nanofibers de carbono, tratados ou recebidos como tal, de 200 mg foram triturados colocando-os numa argamassa e adicionando uma pequena quantidade de solvente. Após a trituração, foram transferidos para um copo de 500 mL. e foram adicionados 400 mL de solvente. A suspensão foi sonicada utilizando um sonicador de alta intensidade durante 20 minutos. Após a sonificação inicial, tanto a solução como a sonda foram arrefecidas até à temperatura ambiente. 1 BYK de mL foi então adicionado à suspensão. A suspensão foi sonicada por mais 20 minutos sob a mesma condição. A suspensão preparada pelo as-prepared foi autorizada a assentar durante a noite. Foi recolhida uma suspensão de 300 mL no nível superior do copo. A suspensão restante de 100 mL contendo alguns depósitos foi misturada com 200 mL de solvente e sonicada durante mais 10 minutos. O papel nanofiber de carbono foi feito filtrando a suspensão através de policarbonato hidrofílico ou membrana hidrofílica de Teflon sob um sistema de filtração de alta pressão. O papel nanofiber de carbono foi ainda seco no forno a 120 durante 2 horas. Neste estudo, oito grupos de amostras foram feitas sob várias combinações de diferentes tipos de nanofibers de carbono, solventes, BYK, suspensão ou depósito, como mostrado no quadro 1. As amostras de papel nanofiber de carbono foram designadas com base nas suas condições de processamento. Por exemplo, o rin-OXCNF-AC-SUS-BYK representa que a amostra foi feita de suspensão RIN-OXCNF em acetona, que foi dispersa com um auxílio de BYK dispersante. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF e RIN-NOXCNF são quatro tipos de nanofibers de carbono. Foram utilizados três tipos de solventes, incluindo água, álcool e acetona. SUS e DEP indicam as amostras da suspensão superior ou do depósito, respectivamente.

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. As variações na qualidade da dispersão devem-se aos grupos funcionais da superfície de OXCNFs. A suspensão de OXCNFs em água e álcool etílico era estável. Mas nanofibers de carbono facilmente aglomerados em acetona quando a sonicação acabou. Tanto a água como o álcool são mais solventes polares do que a acetona. O nanofiber de carbono oxidado tem grupos mais funcionais como OH, COOH, e assim por diante na solução. Portanto, a interação entre os grupos polares (ou seja, grupos OH sobre os grupos nanofiber e OH de álcool ou água) leva a uma melhor qualidade de dispersão. Seis amostras de nanofibras de carbono, de papel foram feitas: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-E-SUS, e OXCNF-AC-DEP. As figuras 1(a)-1(e) mostra a microscopia eletrônica de varredura (MEV) as imagens de OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-E-SUS, OXCNF-WA-DEP, e OXCNF-AL-DEP, respectivamente.

(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

SEM imagens das nanofibras de carbono, de papel: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-E-SUS, OXCNF-WA-DEP, e OXCNF-AL-DEP.

As Figuras 1(A) E 1 (d) mostram as imagens SEM de OXCNF-WA-SUS e OXCNF-WA-DEP, respectivamente. Pode-se ver que não se encontram partículas grandes na Figura 1(a). Contudo, as partículas grandes podem ser claramente observadas na Figura 1(d). As grandes partículas vieram dos agregados dos nanofibers de carbono. Nanofibers de carbono com diâmetros menores foram cuidadosamente embalados em OXCNF-WA-SUS, o que resulta em uma maior densidade de OXCNF-WA-SUS, como mostrado no quadro 2. As partículas catalisadoras de metal podem ser encontradas em ambos OXCNF-WA-SUS e OXCNF-WA-DEP.

Sample ID Sample number Thickness (mm) Weight (mg) Weight percentage(a) (wt%) Bulk density(b) (g/cm3) OXCNF-WA-SUS 1 0.346 158 74.5 0.383 OXCNF-WA-DEP 0.149 54 25.5 0.304 OXCNF-AL-SUS 2 0.563 141 69.5 0.210 OXCNF-AL-DEP 0.274 62 30.5 0.189 OXCNF-AC-SUS 3 0.256 77 38.5 0.252 OXCNF-AC-DEP 0.768 123 61.5 0.134 OXCNF-AC-SUS-BYK 4 0.384 125 60.7 0.272 OXCNF-AC-DEP-BYK 0.371 81 39.3 0.183 RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK 5 0.294 114 59.1 0.324 RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK 0.288 79 40.9 0.231 RIN-OXCNF-WA-SUS 6 0.237 121 61.1 0.426 RIN-OXCNF-WA-DEP 0.160 77 38.9 0.403 NOXCNF-AC-SUS-BYK 7 0.845 134 67 0.133 NOXCNF-AC-DEP-BYK 0.461 66 33 0.120 RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK 8 0.474 108 52.7 0.191 RIN-NOXCNF-AC-DEP-BYK 0.614 97 47.3 0.132

Note: (a) Total weight of carbon nanofibers from the suspension and deposit; (b) sample diameter 39 mm.

Table 2

Bulk densities of carbon nanofiber papers.foram feitas observações semelhantes para OXCNF-AL-SUS e OXCNF-AL-DEP, tal como demonstrado nas Figuras 1 b) e 1 e). É difícil dispersar individualmente e separar nanofibers de carbono, e os nanofibers de carbono depositados tornaram-se os agregados. A diferença entre as figuras 1(d) e 1(e) indica que era mais difícil separar os nanofibers de carbono no álcool do que na água. Maiores agregados de nanofiber de carbono podem ser encontrados em Figuer 1(e). Existem mais nanofibers de carbono com diâmetros menores mostrados na Figura 1(a) Devido a uma melhor dispersão de nanofibers de carbono na água. Esta observação também pode ser feita comparando os seus pesos apresentados no quadro 2. Cerca de 30,5 wt % nanofibers de carbono foram depositados em OXCNF-AL-DEP. Apenas cerca de 25,5 wt% nanofibers de carbono foram depositados na água. A partir das Figuras 1(A)-1(c), OXCNF-WA-SUS tinha uma boa estrutura de rede de nanofibers de carbono, em que não se formaram grandes agregados de nanofiber de carbono, e nanofibers individuais foram cuidadosamente embalados dentro do papel. Parece que a estrutura do papel nanofiber de carbono era melhor em OXCNF-AC-SUS do que em OXCNF-AL-SUS.

3, 2. Efeitos do dispersante

a fim de obter uma melhor dispersão de OXCNFs na acetona, foi utilizado o dispersante BYK. No caso da OXCNF-AC-SUS-BYK e da OXCNF-AC-SUS, verificou-se que foram depositados menos nanofibers de carbono com o auxílio do dispersante, como indicado no quadro 2. O dispersante ou surfactante diminui a tensão superficial interfacial ou a energia superficial da fase sólida, como nanofibers de carbono. Por conseguinte, podem ser relativamente facilmente dissolvidos no solvente. Nas mesmas condições de processamento, apenas 38,5% em peso de Oxcnf permaneceram na suspensão para OXCNF-AC-SUS, mas 60.7 wt% de OXCNFs para OXCNF-AC-SUS-BYK. Uma grande quantidade de OXCNFs foi dispersada individualmente em acetona com o auxílio de BYK. A figura 2 mostra as imagens SEM do OXCNF-AC-SUS-BYK. Em comparação com a Figura 1(C), A Figura 2 indica claramente que se formou uma estrutura de rede mais uniforme em OXCNF-AC-SUS-BYK. Na Figura 1 (C), o papel nanofiber de carbono consistia apenas de OXCNFs rectos com diâmetros maiores. Mas havia alguns OXCNFs curvados com diâmetros menores na Figura 2. Por conseguinte, a utilização de BYK poderia melhorar a dispersão de OXCNFs.

Figura 2

SEM imagens de nanofibras de carbono, de papel: OXCNF-AC-SUS-BYK.

3.3. Efeitos da lavagem ácida

o ácido nítrico diluído foi utilizado para lavar nanofibras de carbono. As figuras 3 e 4 mostram o SEM imagens de RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS, e RIN-OXCNF-WA-DEP. Em comparação com o OXCNF-AC-SUS-BYK na Figura 2, A Figura 3(a) apresenta uma estrutura de rede uniforme sem grandes agregados OXCNF. A lavagem ácida melhorou a dispersão de OXCNFs dentro do papel consistindo de nanofibras curtas e pequenas. A partir da Figura 1(A), pode-se ver que OXCNFs curtos existiam em pacotes e preenchiam os poros de papel nanofiber de carbono. O OXCNF-WA-DEP só tinha 25,5 wt%, mas o RIN-OXCNF-WA-DEP poderia chegar a 38,9 wt%, como mostra a Tabela 2. Em comparação com a Figura 1 (d), A Figura 4(b) mostra mais agregados de nanofiber de carbono, embora a dimensão dos agregados de nanofiber de carbono na Figura 1(d) fosse muito maior. Pode concluir-se que não é necessário tratar os OXCNFs com lavagem ácida se a água for utilizada como solvente. A lavagem ácida poderia melhorar a dispersão de nanofibers de carbono no álcool e levar a uma estrutura de rede uniforme.

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

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

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

Figura 3

SEM imagens das nanofibras de carbono, de papel: RIN-OXCNF-E-PORCO-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

SEM imagens das nanofibras de carbono, de papel: RIN-OXCNF-WA-PORCO e RIN-OXCNF-WA-DEP.

3.4. Efeitos dos Nanofibros de carbono

Existem muito poucos locais químicos activos na superfície de NOXCNFs. Por conseguinte, é extremamente difícil dispersar directamente NOXCNFs em água e acetona. Os NOXCNFs foram facilmente agregados Após a sonicação. O papel de nanofiber de carbono filtrado tinha uma superfície muito áspera. Os NOXCNFs foram depositados rapidamente no fundo do copo em água. Os flocículos NOXCNF foram formados em acetona. Para obter uma suspensão estável de NOXCNFs, é necessário utilizar o BYK dispersante na acetona. A figura 5 mostra as morfologias de NOXCNF-AC-SUS-BYK e RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK. Para o NOXCNF-AC-SUS-BYK, existiam grandes agregados NOXCNF, e a estrutura da rede não era uniforme. Mas para RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK, os grandes agregados NOXCNF desapareceram, e a qualidade das estruturas de rede foi melhorada. Assim, a lavagem ácida aumentou a dispersão de NOXCNF na acetona.

(a) NOXCNF-E-PORCO-BYK

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

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

Figura 5

SEM imagens das nanofibras de carbono, de papel: NOXCNF-E-PORCO-BYK e RIN-NOXCNF-E-PORCO-BYK.

3.5. Densidades em massa de papel Nanofiber de carbono

a densidade em massa é um dos parâmetros importantes do papel nanofiber de carbono. A espessura, peso, porcentagem de peso e densidade do papel nanofiber de carbono são mostrados na Tabela 2. As densidades globais são representadas pelo número da amostra constante da Figura 6. Pode-se ver que todas as amostras feitas a partir da suspensão superior tinham densidades maiores do que as dos depósitos. Tal deve-se à embalagem fechada de nanofibras individuais uniformemente dispersas na suspensão. As barras 1, 2 e 3 representam as amostras obtidas a partir da suspensão de OXCNF em água, álcool e acetona, respectivamente. As densidades globais destas amostras dos depósitos diminuíram seguindo a ordem: água, álcool e acetona. A amostra da suspensão de álcool tem a menor densidade do volume. Isto concorda muito bem com as imagens SEM mostradas na Figura 1. Em comparação com a amostra 3, foi utilizado BYK para a amostra 4. Na amostra 5, o OXCNF foi enxaguado com o ácido nítrico diluído e dispersado com o auxílio de BYK. Tanto o BYK quanto o acid rinse melhoraram a dispersão de OXCNFs em acetona. Observou-se o mesmo fenómeno para as amostras feitas a partir de soluções aquosas OXCNF, comparando as amostras 1 e 6. Após o enxaguamento ácido, suas densidades globais aumentaram. No caso da NOXCNF, as densidades totais das amostras dos depósitos não apresentam alterações significativas. No entanto, a lavagem ácida aumentou as suas densidades globais para as amostras da suspensão.

Figura 6

em Massa densidades de nanofibras de carbono papéis.

4. Conclusions

This paper systematically studied the processing-structure relationship of carbon nanofiber paper. Vê-se claramente que a dispersão de nanofibers de carbono em solventes desempenhou um papel importante na determinação das estruturas de rede de papel de nanofiber de carbono. A boa dispersão levou ao empacotamento próximo de nanofibers de carbono, que formavam a estrutura de rede uniforme do papel com uma maior densidade de massa. As variações na qualidade da dispersão causaram as mudanças nas estruturas de rede e densidades do papel nanofiber de carbono. Os tipos de solventes, dispersantes, enxaguamento ácido e tipos de nanofibras de carbono afetaram significativamente a qualidade da dispersão. Descobriu-se que os OXCNFs eram facilmente dispersos em água e álcool, mas não muito bem em acetona devido aos grupos funcionais na superfície da fibra. Embora houvesse poucos grupos funcionais em NOXCNFs, eles foram facilmente dispersos em acetona com a ajuda de dispersante. Além disso, o tratamento com ácido nítrico diluído melhorou a dispersão nos solventes. Portanto, a estrutura de rede do papel nanofiber de carbono pode ser controlada e otimizada através da escolha de Parâmetros de processamento adequados.

agradecimentos

Este material é baseado no trabalho apoiado pelo Programa de nanomanufacturação da Fundação Nacional da ciência sob a subvenção n. º 0757302 gerido pelo gestor do Programa, Dr. Shaochen Chen. O reconhecimento também é feito para o Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) program under Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Quaisquer opiniões, achados e conclusões ou recomendações expressas neste material são as dos autores e não refletem necessariamente as opiniões da Fundação Nacional da ciência.