Grafeenversterkte koolstofvezels kunnen de weg zijn naar sterkere, goedkopere composieten

Zoals gepubliceerd door de Graphene Council, onderzoekers van Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., VS), University of Virginia (UVA, Charlottesville, Va., VS) en Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pa ., VS) hebben onderzoek gepubliceerd in het april 2020-nummer van Science Advances , het evalueren van het gebruik van ongerept grafeen als additief voor polyacrylonitril (PAN) -oplossing voor koolstofvezelprecursorvezels op basis van eerder onderzoek met koolstofnanobuisjes (CNT's) en grafeenoxide (GO) vloeistof.

De auteurs leggen uit hoe het toevoegen van CNT's niet alleen PAN-spindope- en coagulatieparameters kan optimaliseren, maar ook kan dienen als zowel de sjabloon voor de uitlijning en oriëntatie van polymeerketens als het kiemvormende middel voor de polymeerkristallisatie. Ze citeren onderzoek van Chae et al . die een toename van 49% in koolstofvezelmodulus en een toename van 64% in sterkte rapporteerde met de toevoeging van 1,0 gew.% koolstofnanobuisjes. Het is ook aangetoond dat de toevoeging van CNT's de carbonisatietemperatuur verlaagt, wat het energieverbruik tijdens de fabricage van koolstofvezel (CF) aanzienlijk kan verminderen.

Als een enkellaags, tweedimensionaal koolstofallotroop vertoont grafeen superieure eigenschappen ten opzichte van CNT's, waaronder een groter oppervlak, superieure elektronenmobiliteit, hogere treksterkte en Young's modulus. Recente experimenten waarbij grafeenoxide (GO) vloeibaar kristal werd gebruikt bij de fabricage van koolstofvezel, resulteerden echter in vezels met een ondermaatse treksterkte vanwege hun slechte intrinsieke uitlijning en kristalliniteit.

In de theorie dat ongerept grafeen een betere toevoeging is dan CNT's en GO voor op PAN gebaseerde koolstofvezels, voegden de ORNL-, UVA- en Penn State-onderzoekers een kleine hoeveelheid shear-geëxfolieerd ongerept grafeen (0,01 tot 1,0 gew.%) toe aan een PAN/dimethyl sulfoxide (PAN/DMSO) oplossing om de eigenschappen van de PAN-spindope te verfijnen. De resultaten toonden aan dat op PAN/grafeen gebaseerde koolstofvezels met 0,075 gew.% grafeen een treksterkte van 1916 MPa en Young's modulus van 233 GPa vertoonden - een toename van 225% in sterkte en 184% toename in modulus in vergelijking met PAN-koolstofvezels zonder grafeen.

Bovendien laten grootschalige simulatieresultaten van moleculaire dynamica zien dat het toevoegen van grafeen een gunstige randchemie introduceert, het koolstofgehalte bevordert, de uitlijning van de polymeerketen verbetert en de kristalliniteit verhoogt.

De auteurs beweren dat deze resultaten niet alleen het begrip van op PAN gebaseerde koolstofvezelproductie vergroten, maar ook een basis vormen voor de ontwikkeling van goedkope alternatieve precursorvezels versterkt door grafeen, wat koolstofvezels kan opleveren die superieure prestaties en lagere kosten bieden voor de huidige PAN- gebaseerde producten.