Grafene-verbeterde koolstofvezels: Nieuwe route naar sterkere, kosteneffectieve composieten

Zoals gepubliceerd door de Graphene Council, hebben 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) onderzoek gepubliceerd in de april 2020 uitgave van Science Advances, die het gebruik van zuivere grafene als additief tot polyacrylonitril (PAN) oplossing voor koolstofvezel precursor vezels evalueert, gebaseerd op eerdere onderzoek met koolstofnanobuizen (CNTs) en grafene oxide (GO) vloeistof.

De auteurs leggen uit hoe het toevoegen van CNTs niet alleen de PAN spindoop en coagulatieparameters kan optimaliseren, maar ook dienen als zowel de sjabloon voor de alignatie en oriëntatie van polymere ketens als de nucleerende agent voor de polymere kristallisatie. Ze citeren onderzoek door Chae et al. wat een 49% toename in koolstofvezel modulus en een 64% toename in sterkte rapporteerde met de toevoeging van 1,0 wt% koolstofnanobuizen. De toevoeging van CNTs is ook aangetoond om de verkoolingstemperatuur te verlagen, wat de energieverbruik tijdens koolstofvezel (CF) productie aanzienlijk kan verminderen.

Als een eenzijdig, tweedimensionaal koolstofallotroop, demonstreert grafene superieure eigenschappen ten opzichte van CNTs, inclusief groter oppervlakte, superieure elektronenmobiliteit, hogere trekkracht en Young's modulus. Echter, recente experimenten met grafene oxide (GO) vloeistofkristal in de fabricatie van koolstofvezel, resulteerde in vezels met subpar trekkracht vanwege hun slechte intrinsieke alignatie en kristalliniteit.

Het theoriseren dat zuivere grafene een beter additief kan zijn dan CNTs en GO voor PAN-gebaseerde koolstofvezels, voegden de ORNL, UVA en Penn State onderzoekers een kleine hoeveelheid scher-geëxfolieerde zuivere grafene (0,01 tot 1,0 wt%) toe aan een PAN/dimethylsulfoxide (PAN/DMSO) oplossing om de eigenschappen van de PAN spindoop fijn af te stemmen. Resultaten toonden aan dat PAN/grafene-gebaseerde koolstofvezels met 0,075 wt% grafene een trekkracht van 1916 MPa en Young's modulus van 233 GPa vertoonden — een 225% toename in sterkte en 184% toename in modulus vergeleken met PAN koolstofvezels zonder grafene.

Daarnaast tonen grootschalige moleculaire dynamica simulatieresultaten aan dat het toevoegen van grafene gunstige randchemie introduceert, koolstofinhoud bevordert, polymere keten alignatie verbetert en kristallisatie verhoogt.

De auteurs claimen dat deze resultaten niet alleen de begrip van PAN-gebaseerde koolstofvezelproductie uitbreiden, maar ook een fundament bieden voor het ontwikkelen van laagkost alternatieve precursor vezels verbeterd door grafene, die koolstofvezels kunnen opleveren die superieure prestaties en lagere kosten bieden dan huidige PAN-gebaseerde producten.