rezumat

un concept unic de fabricare a nanocompozitelor din hârtie din nanofibră de carbon a fost explorat în acest studiu. Elementul esențial al acestei metode a fost proiectarea și fabricarea hârtiei din nanofibră de carbon cu o structură de rețea bine controlată și optimizată a nanofibrelor de carbon. În acest studiu, hârtia din nanofibră de carbon a fost preparată în diferite condiții de procesare, inclusiv diferite tipuri de nanofibre de carbon, solvenți, dispersanți și tratament acid. Morfologiile nanofibrelor de carbon din hârtia nanofibră au fost caracterizate prin microscopie electronică de scanare (sem). În plus, au fost măsurate densitățile în vrac ale hârtiei nanofibre de carbon. S-a constatat că densitățile și structurile de rețea ale hârtiei din nanofibră de carbon s-au corelat cu calitatea dispersiei nanofibrelor de carbon din hârtie, care a fost afectată semnificativ de condițiile procesului de fabricare a hârtiei.

1. Introducere

o varietate de nanoparticule au fost încorporate în rășini polimerice pentru a face nanocompozite pentru o gamă largă de aplicații . Printre acestea, nanotuburile de carbon și nanofibrele de carbon au atras interese semnificative de cercetare datorită caracteristicilor și proprietăților lor unice, cum ar fi rezistența și modulul ridicat, densitatea scăzută, suprafața ridicată, stabilitatea chimică bună, conductivitatea electrică și termică ridicată și rezistența la foc. Deși există diferite tehnici de prelucrare pentru fabricarea nanocompozitelor polimerice, acestea sunt împărțite în principal în trei categorii: (a) prelucrarea soluției , (b) amestecarea topiturii folosind un mixer lot sau un dispozitiv continuu, cum ar fi un extruder și (c) polimerizarea in situ . Proprietățile mecanice și fizice ale nanocompozitelor polimerice au variații mari datorită problemelor legate de procesare.

în general, nanotuburile de carbon și nanofibrele de carbon constau din cilindri grafitici cu diametre de 1-100 nm și rapoarte de aspect ridicate de câteva micro lungimi, ceea ce duce la o forță ridicată van der Waals între nanotuburile sau nanofibrele adiacente. Forțele van der Waals ridicate și raporturile de aspect ridicate, cu o combinație de flexibilități ridicate, fac ca nanotuburile și nanofibrele să se agregeze cu ușurință. Ca urmare, este dificil să se disperseze individual nanotuburile sau nanofibrele în rășini polimerice. Adăugarea unei cantități mici de nanofibre de carbon va crește, de asemenea, semnificativ vâscozitatea rășinii. În special în timpul procesării compozitelor polimerice armate cu fibre, fluxul de rășină prin covorașele din fibre devine foarte dificil. Covorașele din fibre vor filtra, de asemenea, nanotuburile și nanofibrele în timpul procesului de turnare lichidă, cum ar fi turnarea prin transfer de rășină și turnarea prin transfer de rășină asistată în vid . În plus, prezența nanotuburilor sau nanofibrelor poate modifica semnificativ comportamentul local de cristalizare a rășinilor polimerice fie prin interacțiunea directă polimer/particulă la interfață, fie prin modificarea câmpului de temperatură și stres în jurul și între nanotuburi sau nanofibre.

un concept unic de a face nanocompozite din hârtie nanofibră de carbon a fost explorat . Această abordare implică realizarea hârtiei din nanofibră de carbon prin filtrarea suspensiei nanofibrelor de carbon bine dispersate în condiții de proces controlate. O astfel de hârtie de specialitate are o structură uniformă de rețea formată prin entanglementul nanofibre. Hârtia din nanofibră de carbon poate fi integrată în continuare în laminatele compozite tradiționale armate cu fibre prin procese de turnare lichidă. Caracteristicile structurale ale hârtiei din nanofibră de carbon, cum ar fi dimensiunea și orientarea porilor, pot afecta semnificativ penetrarea rășinilor polimerice. În acest studiu, corelația dintre morfologiile și condițiile de prelucrare a lucrării a fost studiată sistematic. Mai exact, au fost examinate efectele diferitelor tipuri de nanofibre de carbon, solvent, dispersant și tratament acid asupra microstructurilor hârtiei nanofibre de carbon. Condițiile de prelucrare au fost alese pentru a face hârtie din nanofibră de carbon cu o structură optimă.

2. Experimental

nanofibra de carbon cultivată cu vapori a fost furnizată de la Applied Sciences, Inc., Cedarville, Ohio, Statele Unite ale Americii. Au fost utilizate două tipuri de nanofibre de carbon: nanofibre de carbon oxidate (OXCNF) și nanofibre de carbon neoxidate (NOXCNF). Comparativ cu NOXCNF, OXCNF a avut grupări mai funcționale, cum ar fi gruparea hidroxil (–OH) și acidul carboxilic (–COOH). OXCNF și NOXCNF au fost clătite cu acid azotic diluat. Nanofibrele de carbon tratate cu acid au fost desemnate ca Rin-OXCNF și RIN-NOXCNF. În timpul clătirii nanofibrelor de carbon, OXCNF sau NOXCNF au fost mai întâi agitate în acid azotic 2M la temperatura camerei timp de 2 ore. Soluția a fost apoi filtrată printr-o membrană din policarbonat de 4 m și clătită cu apă până când acidul azotic a fost complet îndepărtat. În acest studiu, apa deionizată (WA), alcoolul etilic (AL) și acetona (AC) au fost utilizate ca solvenți. Dispersantul (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Germania) a fost folosit pentru a ajuta dispersia nanofibre de carbon. BYK a avut valori de amină de 20 mg KOH/g și o valoare acidă de 30 mg KOH / g și ar putea funcționa prin stabilizarea sterică a nanofibrelor de carbon.

hârtia din nanofibră de Carbon a fost fabricată utilizând următoarele proceduri. Nanofibrele de carbon tratate sau primite ca atare de 200 mg au fost măcinate prin plasarea lor într-un mortar și adăugarea unei cantități mici de solvent. După măcinare, au fost transferate în pahar de 500 mL. și s-au adăugat 400 ml solvent. Suspensia a fost sonicată folosind un sonicator de mare intensitate timp de 20 de minute. După Sonicare inițială, atât soluția și sonda au fost răcite la temperatura camerei. În suspensie s-a adăugat apoi 1 ml BYK. Suspensia a fost sonicată pentru încă 20 de minute în aceeași stare. Suspensia pregătită a fost lăsată să se stabilească peste noapte. S-au colectat 300 mL suspensie la nivelul superior al paharului. Restul de 100 mL suspensie care conține unele depozite a fost amestecat cu 200 mL solvent și sonicat timp de încă 10 minute. Hârtia din nanofibră de carbon a fost realizată prin filtrarea suspensiei prin policarbonat hidrofil de 0,4 m sau membrană hidrofobă din Teflon sub un sistem de filtrare de înaltă presiune. Hârtia din nanofibră de carbon a fost uscată în cuptor la 120 timp de 2 ore. În acest studiu, opt grupe de probe au fost realizate sub diferite combinații de diferite tipuri de nanofibre de carbon, solvenți, BYK, suspensie sau depozit, așa cum se arată în tabelul 1. Probele de hârtie din nanofibră de carbon au fost desemnate pe baza condițiilor lor de prelucrare. De exemplu, RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK reprezintă faptul că proba a fost făcută din suspensie RIN-OXCNF în acetonă, care a fost dispersată cu ajutorul DISPERSANTULUI BYK. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF și RIN-NOXCNF sunt patru tipuri de nanofibre de carbon. Au fost utilizate trei tipuri de solvenți, inclusiv apă, alcool și acetonă. SUS și DEP indică probele din suspensia superioară sau, respectiv, din depozit.

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. Variațiile calității dispersiei se datorează grupărilor funcționale de suprafață ale Oxcnf. Suspensia OXCNFs în apă și alcool etilic a fost stabilă. Dar nanofibrele de carbon se aglomerează cu ușurință în acetonă odată ce sonicarea sa terminat. Atât apa, cât și alcoolul sunt solvent mai polar decât acetona. Nanofibra de carbon oxidată are grupuri mai funcționale, cum ar fi OH, COOH și așa mai departe în soluție. Prin urmare, interacțiunea dintre grupurile polare (adică grupurile OH pe nanofibre și grupurile OH de alcool sau apă) duce la o mai bună calitate a dispersiei. Au fost realizate șase probe de hârtie din nanofibră de carbon: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-Al-SUS, OXCNF-al-DEP, OXCNF-și-SUS și OXCNF-AC-DEP. Figurile 1(a) -1(e) prezintă imaginile microscopice electronice de scanare (sem) ale OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-și-SUS, OXCNF-WA-DEP și, respectiv, OXCNF-al-DEP.

(A) OXCNF-WA-SUS

(B) OXCNF-AL-SUS

(c) oxcnf-și-sus

(D) oxcnf-WA-DEP

(d) oxcnf-WA-DEP

(E) OXCNF-al-dep

(A) oxcnf-wa-sus
(B) oxcnf-Al-sus
(c) OXCNF-și-SUS
(D) OXCNF-WA-DEP
(E) OXCNF-AL-DEP

Figurile 1(a) și 1(d) prezintă imaginile sem ale OXCNF-WA-SUS și, respectiv, OXCNF-WA-DEP. Se poate observa că nu se găsesc particule mari în Figura 1(a). Cu toate acestea, particulele mari pot fi observate în mod clar în Figura 1(d). Particulele mari provin din agregatele nanofibre de carbon. Nanofibrele de Carbon cu diametre mai mici au fost ambalate îndeaproape în OXCNF-WA-SUS, ceea ce duce la o densitate mai mare a oxcnf-WA-SUS, așa cum se arată în tabelul 2. Particulele de catalizator metalic pot fi găsite atât în OXCNF-WA-SUS, cât și în OXCNF-WA-DEP.

observație similară a fost făcută pentru OXCNF-AL-SUS și OXCNF-al-DEP, așa cum se arată în Figurile 1(b) și 1(e). Este dificil să se disperseze individual și să se separe nanofibrele de carbon, iar nanofibrele de carbon depuse au devenit agregate. Diferența dintre figurile 1(d) și 1(e) indică faptul că a fost mai dificil să se separe nanofibrele de carbon în alcool decât în apă. Agregatele mai mari de nanofibră de carbon pot fi găsite în Figuer 1(e). Există mai multe nanofibre de carbon cu diametre mai mici prezentate în Figura 1(A) datorită dispersiei mai bune a nanofibre de carbon în apă. Această observație poate fi făcută și prin compararea greutăților lor prezentate în tabelul 2. Aproximativ 30,5% în greutate nanofibre de carbon au fost depozitate în OXCNF-al-DEP. Doar aproximativ 25,5% în greutate nanofibre de carbon au fost depozitate în apă. Din figurile 1(a)-1(c), OXCNF-WA-SUS avea o structură de rețea bună de nanofibre de carbon, în care nu s-au format agregate mari de nanofibre de carbon, iar nanofibre individuale au fost ambalate îndeaproape în hârtie. Se pare că structura hârtiei din nanofibră de carbon a fost mai bună în OXCNF-AC-SUS decât în OXCNF-AL-SUS.

3.2. Efectele Dispersantului

pentru a obține o mai bună dispersie a OXCNFs în acetonă, a fost utilizat dispersantul, BYK. Pentru OXCNF-AC-SUS-BYK și OXCNF-AC-SUS, s-a constatat că s-au depus mai puține nanofibre de carbon cu ajutorul dispersantului, așa cum se arată în tabelul 2. Dispersantul sau surfactantul scade tensiunea superficială interfacială sau energia de suprafață a fazei solide, cum ar fi nanofibrele de carbon. Prin urmare, ele pot fi relativ ușor dizolvate în solvent. În aceleași condiții de prelucrare, doar 38,5% în greutate din OXCNFs au rămas în suspensie pentru OXCNF-AC-SUS, dar 60.7% din greutate OXCNFs pentru OXCNF-AC-SUS-BYK. Cantitate mare de OXCNFs au fost dispersate individual în acetonă cu ajutorul BYK. Figura 2 prezintă imaginile sem ale OXCNF-AC-SUS-BYK. Comparativ cu figura 1(c), Figura 2 indică în mod clar că structura rețelei mai uniformă a fost formată în OXCNF-AC-SUS-BYK. În Figura 1(c), hârtia din nanofibră de carbon consta doar din Oxcnf-uri drepte cu diametre mai mari. Dar au existat unele oxcnfs curbate cu diametre mai mici în Figura 2. Prin urmare, utilizarea BYK ar putea îmbunătăți dispersia OXCNFs.

Figura 2

imagini SEM ale hârtiei din nanofibră de carbon: OXCNF-AC-SUS-BYK.

3.3. Efectele clătirii acide

acidul azotic diluat a fost utilizat pentru clătirea nanofibrelor de carbon. Figurile 3 și 4 prezintă imaginile SEM ale RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS și Rin-OXCNF-WA-DEP. Comparativ cu OXCNF-AC-SUS-BYK în Figura 2, Figura 3(A) prezintă o structură uniformă a rețelei fără agregate OXCNF mari. Clătirea acidă a îmbunătățit dispersia Oxcnf – urilor în hârtie constând din nanofibre scurte și mici. Din Figura 1 (a), se poate observa că Oxcnf-urile scurte au existat în mănunchiuri și au umplut porii hârtiei din nanofibră de carbon. OXCNF-WA-DEP a avut doar 25,5% în greutate, dar RIN-OXCNF-WA-DEP ar putea ajunge până la 38,9% în greutate, așa cum se arată în tabelul 2. Comparativ cu figura 1(d), Figura 4(b) prezintă mai multe agregate de nanofibre de carbon, deși dimensiunea agregatelor de nanofibre de carbon din Figura 1(d) a fost mult mai mare. Se poate concluziona că nu este necesar să se trateze OXCNFs cu clătirea acidă dacă apa este utilizată ca solvent. Clătirea acidă ar putea îmbunătăți dispersia nanofibrelor de carbon în alcool și ar putea duce la o structură uniformă a rețelei.

(A) Rin-OXCNF-și-porc-BYK

(B) Rin-oxcnf-ac-dep-Byk

(A) Rin-oxcnf-și-porc-Bykdep-byk

(B) Rin-oxcnf-AC-dep-Byk

(A) Rin-OXCNF-WA-SUS

dep

(B) Rin-oxcnf-wa-dep

(A) Rin-oxcnf-wa-sus-wa-dep

(B) Rin-oxcnf-wa-dep

3.4. Efectele Nanofibrelor de Carbon

există foarte puține situri chimice active pe suprafața Noxcnf. Prin urmare, este extrem de dificil să se disperseze direct NOXCNFs în apă și acetonă. NOXCNFs au fost ușor agregate după Sonicare. Hârtia filtrată din nanofibră de carbon avea o suprafață foarte aspră. Noxcnf-urile au fost depuse rapid pe fundul paharului în apă. Floculele NOXCNF s-au format în acetonă. Pentru a obține o suspensie stabilă de NOXCNFs, este necesar să se utilizeze dispersantul BYK în acetonă. Figura 5 prezintă morfologiile NOXCNF-AC-SUS-BYK și RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK. Pentru NOXCNF-AC-SUS-BYK, au existat agregate mari de NOXCNF, iar structura rețelei nu a fost uniformă. Dar pentru Rin-NOXCNF-AC-SUS-BYK, agregatele mari de NOXCNF au dispărut, iar calitatea structurilor de rețea a fost îmbunătățită. Prin urmare, clătirea acidă a sporit dispersia NOXCNF în acetonă.

(A) NOXCNF-și-porc-BYK

(b) Rin-noxcnf-și-porc-Byk

(A) noxcnf-și-porc-Byk
(B) Rin-noxcnf-și-pig-Byk

Figura 5

imagini sem ale hârtiei din NANOFIBRĂ de carbon: NOXCNF-și-pig-Byk și Rin-noxcnf-și-pig-Byk.

3.5. Densitățile în vrac ale hârtiei nanofibre de Carbon

densitatea în vrac este unul dintre parametrii importanți ai hârtiei nanofibre de carbon. Grosimea, greutatea, procentul de greutate și densitatea hârtiei din nanofibră de carbon sunt prezentate în tabelul 2. Densitățile în vrac sunt reprezentate grafic în raport cu numărul eșantionului din Figura 6. Se poate observa că toate probele obținute din suspensia superioară au avut densități în vrac mai mari decât cele din depozite. Acest lucru se datorează ambalării strânse a nanofibrelor individuale dispersate uniform în suspensie. Barele 1, 2 și 3 reprezintă probele obținute din suspensia de OXCNF în apă, alcool și, respectiv, acetonă. Densitățile în vrac ale acestor probe din depozite au scăzut urmând ordinea: apă, alcool și acetonă. Eșantionul din suspensia de alcool are cea mai mică densitate în vrac. Acest lucru este de acord foarte bine cu imaginile SEM prezentate în Figura 1. Comparativ cu eșantionul 3, BYK a fost utilizat pentru eșantionul 4. În proba 5, OXCNF a fost clătit cu acid azotic diluat și dispersat cu ajutorul BYK. Atât BYK, cât și acid rinse au îmbunătățit dispersia OXCNFs în acetonă. Același fenomen a fost observat și la probele obținute din soluțiile apoase OXCNF prin compararea probelor 1 și 6. După clătirea acidă, densitățile lor în vrac au crescut. Pentru NOXCNF, densitățile în vrac ale probelor din depozite nu au modificări semnificative. Cu toate acestea, clătirea acidă și-a mărit densitățile în vrac pentru probele din suspensie.

Figura 6

densități în vrac ale hârtiei nanofibre de carbon.

4. Concluzii

această lucrare a studiat sistematic relația prelucrare-structură a hârtiei din nanofibră de carbon. Se vede clar că dispersia nanofibrelor de carbon în solvenți a jucat un rol important în determinarea structurilor de rețea ale hârtiei din nanofibră de carbon. Dispersia bună a dus la ambalarea strânsă a nanofibrelor de carbon, care au format structura uniformă a rețelei hârtiei cu o densitate mai mare în vrac. Variațiile calității dispersiei au provocat modificări ale structurilor de rețea și densităților hârtiei nanofibre de carbon. Tipurile de solvenți, dispersant, clătire acidă și tipuri de nanofibre de carbon au afectat semnificativ calitatea dispersiei. S-a constatat că Oxcnf-urile au fost ușor dispersate în apă și alcool, dar nu bine în acetonă datorită grupărilor funcționale de pe suprafața fibrei. Deși au existat puține grupuri funcționale pe NOXCNFs, acestea au fost ușor dispersate în acetonă cu ajutorul dispersantului. În plus, tratamentul cu acid azotic diluat a îmbunătățit dispersia în solvenți. Prin urmare, structura rețelei de hârtie din nanofibră de carbon poate fi controlată și optimizată prin alegerea parametrilor de procesare adecvați.

mulțumiri

acest material se bazează pe munca susținută de programul de nanomanufacturare al Fundației Naționale de științe sub Grant nr. 0757302 gestionat de managerul de program, Dr.Shaochen Chen. Recunoașterea se face, de asemenea, Programului Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) în cadrul grantului nr. FSU#218007-530-024809-R010689. Orice opinii, constatări și concluzii sau recomandări exprimate în acest material sunt cele ale autorilor și nu reflectă neapărat punctele de vedere ale Fundației Naționale pentru științe.