Graphen-verstärkte Carbonfasern: Neuer Weg zu stärkeren, kosteneffizienten Composites

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, USA) Forschung im April 2020 in Science Advances veröffentlicht, die die Verwendung von reinem Graphen als Additiv zu Polyacrylnitril (PAN)-Lösung für Carbonfaser-Precursor-Fasern bewertet – basierend auf Vorarbeiten mit Carbonnanoröhren (CNTs) und Graphenoxid (GO)-Flüssigkeit.

Hintergrund: CNTs und GO

Die Autoren erläutern, wie CNT-Zugabe nicht nur PAN-Spinn-Dope und Koagulationsparameter optimieren, sondern auch als Template für Ausrichtung und Orientierung der Polymerketten und als Nukleationsmittel für Polymerkristallisation dienen. Forschung von Chae et al. berichtete 49 % Modulsteigerung und 64 % Festigkeitssteigerung bei 1,0 Gew.-% CNT-Zugabe. CNTs senken auch Karbonisierungstemperatur, was Energieverbrauch bei Carbonfaserherstellung signifikant reduzieren kann.

Als einlagiges, zweidimensionales Kohlenstoffallotrop zeigt Graphen überlegene Eigenschaften zu CNTs: größere Oberfläche, überlegene Elektronenmobilität, höhere Zugfestigkeit und Youngscher Modul. Jüngste Experimente mit GO-Flüssigkristall in Carbonfaserfertigung ergaben jedoch Fasern mit unterdurchschnittlicher Zugfestigkeit wegen schlechter intrinsischer Ausrichtung und Kristallinität.

Neuer Ansatz: Reines Graphen

Theorisierend, dass reines Graphen ein besseres Additiv als CNTs und GO für PAN-basierte Carbonfasern sein könnte, fügten die ORNL, UVA und Penn State Forscher eine kleine Menge scherexfoliierten reinen Graphens (0,01 bis 1,0 Gew.-%) zu einer PAN/Dimethylsulfoxid (PAN/DMSO) Lösung hinzu, um PAN-Spinn-Dope-Eigenschaften feinabzustimmen. Ergebnisse zeigten: PAN/Graphen-basierte Carbonfasern mit 0,075 Gew.-% Graphen wiesen Zugfestigkeit von 1916 MPa und Youngschen Modul von 233 GPa auf – eine 225 %ige Festigkeitssteigerung und 184 %ige Modulsteigerung im Vergleich zu PAN-Carbonfasern ohne Graphen.

Zusätzlich zeigen großskalige Molekulardynamik-Simulationen, dass Graphenzugabe günstige Randchemie einführt, Kohlenstoffgehalt fördert, Polymerkettenausrichtung verbessert und Kristallinität erhöht.

Die Autoren behaupten, diese Ergebnisse erweitern nicht nur das Verständnis der PAN-basierten Carbonfaserproduktion, sondern liefern auch Grundlage für Entwicklung kostengünstiger alternativer Precursor-Fasern, verstärkt durch Graphen, die Carbonfasern mit überlegener Performance und niedrigeren Kosten als aktuelle PAN-basierte Produkte liefern könnten.