Graphenverstärkte Carbonfasern könnten den Weg zu stärkeren, billigeren Verbundwerkstoffen ebnen

Wie vom Graphene Council veröffentlicht, haben Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, USA), der University of Virginia (UVA, Charlottesville, Virginia, USA) und der Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pennsylvania) ., US) haben Forschungsergebnisse in der April-2020-Ausgabe von Science Advances . veröffentlicht , die die Verwendung von reinem Graphen als Additiv zu Polyacrylnitril (PAN)-Lösung für Kohlefaser-Vorstufenfasern basierend auf früheren Forschungen mit Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und Graphenoxid (GO)-Flüssigkeit bewertet.

Die Autoren erklären, wie die Zugabe von CNTs nicht nur die PAN-Spinnlösung und die Koagulationsparameter optimieren kann, sondern sowohl als Templat für die Ausrichtung und Orientierung von Polymerketten als auch als Keimbildner für die Polymerkristallisation dienen. Sie zitieren Forschungen von Chae et al . die eine 49%ige Zunahme des Kohlefasermoduls und eine 64%ige Zunahme der Festigkeit bei Zugabe von 1,0 Gew.-% Kohlenstoff-Nanoröhrchen berichteten. Es hat sich auch gezeigt, dass die Zugabe von CNTs die Karbonisierungstemperatur senkt, was den Energieverbrauch bei der Herstellung von Kohlefasern (CF) erheblich reduzieren kann.

Als einschichtiges, zweidimensionales Kohlenstoffallotrop weist Graphen gegenüber CNTs überlegene Eigenschaften auf, darunter eine größere Oberfläche, eine überlegene Elektronenmobilität, eine höhere Zugfestigkeit und ein Young-Modul. Neuere Experimente mit Graphenoxid (GO)-Flüssigkristallen bei der Herstellung von Kohlefasern führten jedoch aufgrund ihrer schlechten intrinsischen Ausrichtung und Kristallinität zu Fasern mit unterdurchschnittlicher Zugfestigkeit.

Die Theorie, dass reines Graphen ein besseres Additiv als CNTs und GO für PAN-basierte Kohlenstofffasern sein könnte, fügten die Forscher von ORNL, UVA und Penn State einem PAN/Dimethyl Sulfoxid (PAN/DMSO)-Lösung zur Feinabstimmung der Eigenschaften der PAN-Spinnlösung. Die Ergebnisse zeigten, dass Kohlefasern auf PAN/Graphen-Basis mit 0,075 Gew.-% Graphen eine Zugfestigkeit von 1916 MPa und einen Young-Modul von 233 GPa aufwiesen – eine Erhöhung der Festigkeit um 225% und des Moduls um 184 % im Vergleich zu PAN-Kohlenstofffasern ohne Graphen.

Darüber hinaus zeigen Simulationsergebnisse der Molekulardynamik im großen Maßstab, dass die Zugabe von Graphen eine günstige Kantenchemie einführt, den Kohlenstoffgehalt fördert, die Ausrichtung der Polymerkette verbessert und die Kristallinität erhöht.

Die Autoren behaupten, dass diese Ergebnisse nicht nur das Verständnis der PAN-basierten Kohlefaserproduktion erweitern, sondern auch eine Grundlage für die Entwicklung kostengünstiger alternativer Vorläuferfasern bilden, die durch Graphen verbessert werden, die Kohlefasern liefern können, die eine überlegene Leistung und niedrigere Kosten als aktuelle PAN- basierte Produkte.