Abstrakt
ett unikt koncept för att göra nanokompositer från kolnanofiberpapper undersöktes i denna studie. Det väsentliga elementet i denna metod var att designa och tillverka kolnanofiberpapper med välkontrollerad och optimerad nätverksstruktur av kolnanofibrer. I denna studie framställdes kolnanofiberpapper under olika bearbetningsbetingelser, inklusive olika typer av kolnanofibrer, lösningsmedel, dispergeringsmedel och syrabehandling. Morfologierna av kolnanofibrer inom nanofiberpapperet karakteriserades med scanningelektronmikroskopi (SEM). Dessutom mättes bulkdensiteterna av kolnanofiberpapper. Det visade sig att densiteterna och nätverksstrukturerna av kolnanofiberpapper korrelerade med dispersionskvaliteten hos kolnanofibrer i papperet, vilket påverkades signifikant av papperstillverkningsprocessbetingelser.
1. Introduktion
en mängd nanopartiklar har införlivats i polymerhartser för att göra nanokompositer för ett brett spektrum av applikationer . Bland dem har kolnanorör och kolnanofibrer lockat betydande forskningsintressen på grund av deras unika egenskaper och egenskaper såsom hög hållfasthet och modul, låg densitet, hög ytarea, god kemisk stabilitet, hög elektrisk och värmeledningsförmåga och brandmotstånd. Även om det finns olika bearbetningstekniker för att tillverka polymernanokompositer, delas de huvudsakligen in i tre kategorier: (a) lösningsbehandling , (b) smältblandning med användning av en satsblandare eller kontinuerlig anordning såsom en extruder och (c) in situ-polymerisation . De mekaniska och fysikaliska egenskaperna hos polymernanokompositer har stora variationer på grund av bearbetningsrelaterade problem.i allmänhet består kolnanorör och kolnanofibrer av grafitiska cylindrar med diametrar av 1-100 nm och höga bildförhållanden av några mikrolängder, vilket leder till hög van der Waals-kraft mellan intilliggande nanorör eller nanofibrer. De höga van der Waals-krafterna och höga bildförhållanden med en kombination av höga flexibiliteter gör nanorör och nanofibrer lätt aggregerade. Som ett resultat är det svårt att individuellt sprida nanorör eller nanofibrer i polymerhartser. Tillsatsen av en liten mängd kolnanofibrer kommer också att öka viskositeten hos hartset avsevärt. Särskilt under bearbetningen av fiberförstärkta polymerkompositer blir hartsflödet genom fibermattorna mycket svårt. Fibermattorna kommer också att filtrera bort nanorör och nanofibrer under flytande formningsprocess, såsom hartsöverföringsformning och vakuumassisterad hartsöverföringsformning . Dessutom kan närvaron av nanorör eller nanofibrer signifikant modifiera det lokala kristalliseringsbeteendet hos polymerhartser antingen genom direkt polymer/partikelinteraktion vid gränssnittet eller modifiering av temperatur-och stressfält runt och mellan nanorör eller nanofibrer.
ett unikt koncept för att göra nanokompositer från kolnanofiberpapper har utforskats . Detta tillvägagångssätt innefattar att göra kol nanofiberpapper genom filtrering av suspensionen av väldispergerade kolnanofibrer under kontrollerade processförhållanden. Ett sådant specialpapper har en enhetlig nätverksstruktur som bildas genom entanglement av nanofibrerna. Kolnanofiberpapperet kan integreras ytterligare i traditionella fiberförstärkta kompositlaminater genom flytande formningsprocesser. De strukturella egenskaperna hos kolnanofiberpapper såsom porstorlek och orientering kan väsentligt påverka penetrationen av polymerhartser. I denna studie studerades korrelationen mellan morfologierna och bearbetningsförhållandena för papperet systematiskt. Specifikt undersöktes effekterna av olika typer av kolnanofiber, lösningsmedel, dispergeringsmedel och syrabehandling på mikrostrukturerna av kolnanofiberpapper. Bearbetningsförhållandena valdes för att göra kolnanofiberpapper med en optimal struktur.
2. Experimentell
Ångodlad kolnanofiber levererades från Applied Sciences, Inc. Cedarville, Ohio, USA. Två typer av kolnanofibrer användes: oxiderad kolnanofiber (OXCNF) och icke-oxiderad kolnanofiber (NOXCNF). Jämfört med NOXCNF hade OXCNF mer funktionella grupper, såsom hydroxylgrupp (–OH) och karboxylsyra (–COOH). OXCNF och NOXCNF sköljdes med utspädd salpetersyra. De syrabehandlade kolnanofibrerna betecknades som RIN-OXCNF och RIN-NOXCNF. Under sköljningen av kolnanofibrer omrördes OXCNF eller NOXCNF först i 2m salpetersyra vid rumstemperatur i 2 timmar. Lösningen filtrerades sedan genom ett 4 m polykarbonatmembran och sköljdes med vatten tills salpetersyran avlägsnades fullständigt. I denna studie användes avjoniserat vatten (WA), etylalkohol (AL) och aceton (AC) som lösningsmedel. Dispergeringsmedlet (DISPERBYK-191; BYK-Chemie, Wesel. Tyskland) användes för att hjälpa dispersionen av kolnanofibrer. BYK hade aminvärden på 20 mg KOH/g och syravärde på 30 mg KOH / g och kunde arbeta genom sterisk stabilisering av kolnanofibrer.
Kolnanofiberpapper tillverkades med hjälp av följande procedurer. De as-behandlade eller as-mottagna kolnanofibrerna på 200 mg maldes genom att placera dem i en murbruk och tillsätta en liten mängd lösningsmedel. Efter slipning överfördes de till 500 mL bägare. och 400 mL lösningsmedel tillsattes. Suspensionen sonikerades med användning av en högintensiv sonikator i 20 minuter. Efter den initiala ultraljudsbehandling, både lösningen och sonden kyldes ner till rumstemperatur. 1 mL BYK tillsattes sedan till suspensionen. Suspensionen sonicerades i ytterligare 20 minuter under samma tillstånd. Den beredda suspensionen fick sätta sig över natten. 300 mL suspension på bägarens övre nivå uppsamlades. Den återstående 100 mL suspension innehållande vissa avlagringar blandades med 200 mL lösningsmedel och sonikerades i ytterligare 10 minuter. Kolnanofiberpapperet gjordes genom att filtrera suspensionen genom 0,4 m hydrofil polykarbonat eller hydrofobt Teflonmembran under ett högtrycksfiltreringssystem. Kolnanofiberpapperet torkades ytterligare i ugnen vid 120 i 2 timmar. I denna studie gjordes åtta grupper av prover under olika kombinationer av olika typer av kolnanofibrer, lösningsmedel, BYK, suspension eller deponering, som visas i Tabell 1. Proverna av kolnanofiberpapper betecknades baserat på deras bearbetningsförhållanden. Till exempel representerar RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK att provet gjordes av RIN-OXCNF-suspension i aceton, som dispergerades med hjälp av dispergeringsmedel BYK. OXCNF, RIN-OXCNF, NOXCNF och RIN-NOXCNF är fyra typer av kolnanofibrer. Tre typer av lösningsmedel inklusive vatten, alkohol och aceton användes. SUS och DEP anger proverna från den övre suspensionen respektive deponeringen.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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. Variationerna i dispersionskvaliteten beror på Ytfunktionella grupper av OXCNFs. Suspensionen av OXCNFs i vatten och etylalkohol var stabil. Men kol nanofibrer lätt agglomererade i aceton när ultraljudsbehandling var över. Både vatten och alkohol är mer polärt lösningsmedel än aceton. Den oxiderade kolnanofibern har mer funktionella grupper som OH, COOH och så vidare i lösningen. Därför leder interaktionen mellan de polära grupperna (dvs OH-grupper på nanofiber och OH-grupper av alkohol eller vatten) till bättre dispersionskvalitet. Sex prover av kolnanofiberpapper gjordes: OXCNF-WA-SUS, OXCNF-WA-DEP, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-AL-DEP, OXCNF-och-SUS och OXCNF-AC-DEP. Figurerna 1(A) -1 (E) visar scanningelektronmikroskopi (SEM) bilder av OXCNF-WA-SUS, OXCNF-AL-SUS, OXCNF-och-SUS, OXCNF-WA-DEP, och OXCNF-al-DEP, respektive.
(a) OXCNF-WA-SUS
(b) OXCNF-AL-SUS
(C) oxcnf-och-sus
(d) oxcnf-wa-DEP
(e) OXCNF-al-dep
(a) oxcnf-wa-sus
(b) oxcnf-al-sus
(C) OXCNF-och-SUS
(d) OXCNF-WA-DEP
(e) OXCNF-AL-DEP
figurerna 1 (A) och 1 (d) visar SEM-bilderna av OXCNF-WA-SUS respektive OXCNF-WA-DEP. Det kan ses att inga stora partiklar kan hittas i Figur 1 (a). Stora partiklar kan emellertid tydligt observeras i Figur 1 (d). De stora partiklarna kom från aggregaten av kolnanofibrer. Kolnanofibrer med mindre diametrar packades tätt i OXCNF-WA-SUS, vilket resulterar i en högre bulkdensitet av OXCNF-WA-SUS, som visas i Tabell 2. Metallkatalysatorpartiklarna finns i både OXCNF-WA-SUS och OXCNF-WA-dep.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Note: (a) Total weight of carbon nanofibers from the suspension and deposit; (b) sample diameter 39 mm. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
liknande observationer gjordes för OXCNF-AL-SUS och OXCNF-AL-DEP, som visas i figurerna 1(b) och 1(e). Det är svårt att individuellt sprida och separera kolnanofibrer, och de deponerade kolnanofibrerna blev aggregaten. Skillnaden mellan figurerna 1 (d) och 1 (e) indikerar att det var svårare att separera kolnanofibrer i alkohol än i vatten. Större kolnanofiberaggregat kan hittas i Figuer 1(e). Det finns fler kolnanofibrer med mindre diametrar som visas i Figur 1 (A) på grund av bättre spridning av kolnanofibrer i vatten. Denna observation kan också göras genom att jämföra deras vikter som visas i Tabell 2. Cirka 30,5 wt% kolnanofibrer deponerades i OXCNF-AL-dep. Endast cirka 25,5 WT % kolnanofibrer avsattes i vatten. Från figurerna 1(A)-1(c), OXCNF-WA-SUS hade god nätverksstruktur av kolnanofibrer, där inga stora kolnanofiberaggregat bildades, och enskilda nanofibrer packades nära i papperet. Det verkar som att strukturen av kolnanofiberpapper var bättre i OXCNF-AC-sus än i OXCNF-AL-sus.
3.2. Effekter av dispergeringsmedel
För att erhålla bättre dispersion av OXCNFs i aceton användes dispergeringsmedlet BYK. För OXCNF-AC-SUS-BYK och OXCNF-AC-SUS fann man att mindre kolnanofibrer deponerades med hjälp av dispergeringsmedlet, som visas i Tabell 2. Dispergeringsmedlet eller ytaktivt medel minskar gränsytans ytspänning eller ytenergi i den fasta fasen som kolnanofibrer. Därför kan de relativt lätt lösas i lösningsmedlet. Under samma bearbetningsförhållanden återstod endast 38,5 viktprocent Oxcnf i suspensionen för OXCNF-AC-sus men 60.7 viktprocent Oxcnf för OXCNF-AC-SUS-BYK. Stor mängd OXCNFs dispergerades individuellt i aceton med hjälp av BYK. Figur 2 visar sem-bilderna av OXCNF-AC-SUS-BYK. Jämfört med Figur 1 (c) indikerar Figur 2 tydligt att mer enhetlig nätverksstruktur bildades i OXCNF-AC-SUS-BYK. I Figur 1 (c) bestod kolnanofiberpapper endast av raka OXCNFs med större diametrar. Men det fanns några böjda OXCNFs med mindre diametrar i Figur 2. Därför kan användningen av BYK förbättra dispersionen av OXCNFs.
3.3. Effekter av Syrasköljning
den utspädda salpetersyran användes för att skölja kolnanofibrer. Figurerna 3 och 4 visar sem-bilderna av RIN-OXCNF-AC-SUS-BYK, RIN-OXCNF-AC-DEP-BYK, RIN-OXCNF-WA-SUS och RIN-OXCNF-WA-DEP. Jämfört med OXCNF-AC-SUS-BYK i Figur 2 visar Figur 3(a) enhetlig nätverksstruktur utan stora OXCNF-aggregat. Syrasköljningen förbättrade dispersionen av OXCNFs i papperet bestående av korta och små nanofibrer. Från Figur 1 (A) kan man se att korta OXCNFs fanns i buntar och fyllde porerna i kolnanofiberpapper. OXCNF-WA-DEP hade bara 25.5 wt%, men RIN-OXCNF-WA-DEP kunde nå upp till 38.9 wt%, vilket visas i Tabell 2. Jämfört med Figur 1(d) visar Figur 4(b) fler kolnanofiberaggregat, även om storleken på kolnanofiberaggregat i Figur 1 (d) var mycket större. Man kan dra slutsatsen att det inte är nödvändigt att behandla OXCNFs med syrasköljningen om vattnet används som lösningsmedel. Syrasköljningen kan förbättra dispersionen av kolnanofibrer i alkohol och leda till enhetlig nätverksstruktur.
(a) RIN-OXCNF-och-gris-BYK
(b) rin-oxcnf-ac-dep-byk
(a) rin-oxcnf-och-gris-byk
(b) rin-oxcnf-AC-Dep-byk
sem bilder av KOLNANOFIBERPAPPER: Rin-oxcnf-och-gris-byk och 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 bilder av kolnanofiberpapper: rin-OXCNF-wa-gris och Rin-oxcnf-wa-dep.
3.4. Effekter av Kolnanofibrer
det finns mycket få aktiva kemiska platser på ytan av NOXCNFs. Därför är det extremt svårt att direkt sprida NOXCNFs i vatten och aceton. De NOXCNFs var lätt aggregerade efter ultraljudsbehandling. Det filtrerade kolnanofiberpapperet hade mycket grov yta. Noxcnf: erna deponerades snabbt på botten av bägaren i vatten. Noxcnf-flockarna bildades i aceton. För att erhålla en stabil suspension av NOXCNFs är det nödvändigt att använda dispergeringsmedlet BYK i aceton. Figur 5 visar morfologierna för NOXCNF-AC-SUS-BYK och RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK. För NOXCNF-AC-SUS-BYK fanns det stora noxcnf-aggregat, och nätverksstrukturen var inte enhetlig. Men för RIN-NOXCNF-AC-SUS-BYK försvann de stora NOXCNF-aggregaten och kvaliteten på nätverksstrukturerna förbättrades. Därför förbättrade syrasköljningen dispersionen av NOXCNF i aceton.
(a) NOXCNF-och-gris-BYK
(b) rin-noxcnf-och-gris-byk
(a) noxcnf-och-gris-byk
(b) Rin-noxcnf-och-gris-byk
3.5. Bulkdensiteter av Kolnanofiberpapper
bulkdensiteten är en av de viktiga parametrarna för kolnanofiberpapper. Tjockleken, vikten, viktprocenten och densiteten hos kolnanofiberpapper visas i Tabell 2. Bulkdensiteterna plottas mot provnumret i Figur 6. Det kan ses att alla prover som gjordes från den övre suspensionen hade högre bulkdensiteter än de från insättningarna. Detta beror på den nära packningen av enskilda nanofibrer jämnt dispergerade i suspensionen. Staplarna 1, 2 och 3 representerar proverna gjorda av suspensionen av OXCNF i vatten, alkohol respektive aceton. Bulkdensiteterna för dessa prover från avlagringarna minskade genom att följa ordningen: vatten, alkohol och aceton. Provet från alkoholsuspensionen har den lägsta bulkdensiteten. Detta överensstämmer mycket bra med SEM-bilderna som visas i Figur 1. Jämfört med Prov 3 användes BYK för prov 4. I prov 5 sköljdes OXCNF med den utspädda salpetersyran och dispergerades med hjälp av BYK. Både BYK och syrasköljning förbättrade dispersionen av OXCNFs i aceton. Samma fenomen observerades för proverna gjorda av OXCNF-vattenhaltiga lösningar genom att jämföra proverna 1 och 6. Efter syrasköljningen ökade deras bulkdensiteter. För NOXCNF har bulkdensiteterna för proverna från insättningarna inga signifikanta förändringar. Emellertid ökade syrasköljningen deras bulkdensiteter för proverna från suspensionen.
4. Slutsatser
denna uppsats studerade systematiskt förhållandet mellan bearbetning och struktur av kolnanofiberpapper. Det ses tydligt att spridningen av kolnanofibrer i lösningsmedel spelade en viktig roll för att bestämma nätverksstrukturerna för kolnanofiberpapper. Den goda dispersionen ledde till nära packning av kolnanofibrer, som bildade den enhetliga nätverksstrukturen hos papperet med högre bulkdensitet. Variationerna i dispersionskvaliteten orsakade förändringarna i nätverksstrukturerna och densiteterna av kolnanofiberpapper. Typerna av lösningsmedel, dispergeringsmedel, syrasköljning och typer av kolnanofibrer påverkade dispersionskvaliteten signifikant. Det har visat sig att OXCNFs lätt dispergerades i vatten och alkohol men inte bra i aceton på grund av de funktionella grupperna på fiberytan. Även om det fanns få funktionella grupper på NOXCNFs, dispergerades de lätt i aceton med hjälp av dispergeringsmedel. Dessutom förbättrade behandlingen med utspädd salpetersyra dispersionen i lösningsmedlen. Därför kan nätverksstrukturen för kolnanofiberpapper styras och optimeras genom att välja lämpliga bearbetningsparametrar.
bekräftelser
detta material är baserat på arbete som stöds av National Science Foundations nanomanufacturing program under Grant no. 0757302 förvaltas av programchef, Dr.Shaochen Chen. Bekräftelsen görs också till Florida Center for Advanced Aero-Propulsion (FCAAP) – programmet under Grant no. FSU#218007-530-024809-R010689. Eventuella åsikter, resultat och slutsatser eller rekommendationer som uttrycks i detta material är författarnas och återspeglar inte nödvändigtvis National Science Foundations åsikter.
