Wetenschappers maken het gemakkelijker en veiliger om koolstofnanobuisjes te gebruiken in polymere nanocomposietmaterialen

Een onderzoeksteam van Skoltech, Aalto University en Kurnakov Institute heeft onlangs een nieuwe, veelzijdige en eenvoudige benadering ontwikkeld voor het gebruik van koolstofnanobuisjes voor de productie van koolstofnanobuis-polymeer nanocomposieten. De methode wordt gerapporteerd in Koolstof en omvat het maken van briketten – dichte pakketten koolstofnanobuispoeders. Nanocomposieten gemaakt met briketten presteren even goed als die gemaakt van de duurdere masterbatches, die ook polymeerspecifiek zijn, dat wil zeggen minder veelzijdig.

“Wij geloven dat het gebruik van dichte briketten van koolstofnanobuisjes de ontwikkeling van de koolstofnanobuiscomposietindustrie aanzienlijk kan vergemakkelijken. Deze techniek is goedkoop en toepasbaar op een breed scala aan polymeermatrices, zonder de elektrische en thermische eigenschappen van het uiteindelijke materiaal op te offeren. “, de hoofdauteur van de studie, Skoltech Ph.D. student Hassaan Butt, verklaarde.

Koolstofnanobuisjes worden al tientallen jaren intensief onderzocht door onderzoekers uit de academische wereld en de industrie vanwege hun unieke combinatie van elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. Ondertussen zijn op polymeer gebaseerde nanocomposieten de grootste toepassing van koolstofnanobuisjes geworden en degene die het dichtst in de buurt komt van wijdverspreide integratie in het dagelijks leven. Het is gemakkelijk te begrijpen waarom: de kleinste hoeveelheden nanobuisjes die aan een polymeer worden toegevoegd, geven het materiaal fundamenteel nieuwe eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid en piëzoresistiviteit, evenals cruciale verbetering van de thermische en mechanische eigenschappen.

Het recente onderzoek in Koolstof begon als een poging om de uitdaging aan te gaan om voldoende dispersie van koolstofnanobuisjes in een gastheerpolymeer te bereiken om optimale composieteigenschappen te bereiken. Daartoe onderzochten Skoltech-onderzoekers en hun medewerkers van het Kurnakov Institute de methode voor snelle expansie van superkritische oplossing (RESS) van nanobuisjes, wat leidt tot hun deagglomeratie. Het leverde echter geen verbetering op in de uiteindelijke eigenschappen van polymere nanocomposieten. Het team besloot de implicaties hiervan vanuit het tegenovergestelde perspectief te onderzoeken.

Studie co-auteur en een van de belangrijkste medewerkers, Skoltech Ph.D. student Ilya Novikov, legde uit: “Toen we ons realiseerden dat snelle expansie een vertienvoudiging van de bulkdichtheid van de nanobuisjes veroorzaakt, maar de composieteigenschappen niet verbetert, dachten we: waarom doen we niet het tegenovergestelde en comprimeren we in plaats daarvan de poeders. Wat als compressie heeft geen invloed op de prestaties van het materiaal?” De reden dat dit opwindend zou zijn, voegde hij eraan toe, is dat een hogere dichtheid meer gemak betekent en minder veiligheidsrisico’s bij de fabricage als gevolg van ongewenste aërosolisatie van nanobuisjes.

Op deze manier schakelden de auteurs over op een geheel andere branche en werd het onderzoek gericht op het effect van koolstofnanobuispoederdichtheid, of preconsolidatiegraad, op de functionele eigenschappen van composieten. Om de bulkdichtheid te vergroten, comprimeerden de onderzoekers ongerepte nanobuispoeders pneumatisch.

Hierna onderzocht het team grondig de eigenschappen van epoxy-nanocomposieten die zijn vervaardigd uit vier soorten koolstofnanobuispoeders: geëxpandeerd (RESS), ongerept, gecomprimeerd (briketvormig) en commerciële masterbatches – de laatste zijn nanobuisjes die bovendien vooraf in het polymeer zijn gedispergeerd door de fabrikant. Onverwacht bleken alle bestudeerde eigenschappen, inclusief morfologie, elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en stabiliteit, hetzelfde te zijn, ongeacht de bulkdichtheid van nanobuisjes.

“Verrassend genoeg ontdekten we dat het elektrische gedrag eigenlijk identiek was voor alle verkregen composieten. Vervolgens onthulden we hetzelfde voor thermische eigenschappen. We schreven dit toe aan een vergelijkbare ruimtelijke verdeling van de nanobuisjes in epoxy. Het meest opmerkelijke hier is dat de vrij dure en polymeerspecifieke commerciële masterbatch blijkt dezelfde eigenschappen te bieden als onze briketten. Bovendien zijn ze aan de andere kant veel gemakkelijker en veiliger te hanteren in vergelijking met ongerepte en geëxpandeerde poeders, “zei de hoofdonderzoeker van het onderzoek, Skoltech-professor Albert Nasibulin, gezegd.

Koolstofnanobuisjes zijn zo’n ultralicht materiaal dat aerosolvorming en de daarmee gepaard gaande veiligheidsrisico’s voor het personeel een essentieel probleem vormen bij de productie van nanocomposiet. Het kan worden vermeden, zo stellen de auteurs, door briketten te gebruiken, die dus neerkomen op een goedkope, eenvoudige en schaalbare oplossing voor het vereenvoudigen van het gebruik van koolstofnanobuisjes in de laboratoria van de academische wereld en de industrie, die voortkwamen uit een poging om een ​​heel ander probleem aan te pakken. kwestie.