Las fibras de carbono reforzadas con grafeno pueden ofrecer un camino hacia compuestos más resistentes y económicos

Según lo publicado por el Graphene Council, los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.), La Universidad de Virginia (UVA, Charlottesville, Virginia, EE. UU.) Y la Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State, University Park, Pensilvania) ., EE. UU.) Han publicado una investigación en la edición de abril de 2020 de Science Advances , evaluando el uso de grafeno prístino como aditivo de la solución de poliacrilonitrilo (PAN) para fibras precursoras de fibra de carbono, basándose en investigaciones previas que utilizan nanotubos de carbono (CNT) y óxido de grafeno (GO) líquido.

Los autores explican cómo la adición de CNT no solo puede optimizar los parámetros de coagulación y dope de hilado de PAN, sino que también sirve como plantilla para la alineación y orientación de las cadenas de polímero y como agente nucleante para la cristalización del polímero. Citan la investigación de Chae et al . que informó un aumento del 49% en el módulo de la fibra de carbono y un aumento del 64% en la resistencia con la adición de 1,0% en peso de nanotubos de carbono. También se ha demostrado que la adición de CNT reduce la temperatura de carbonización, lo que puede reducir significativamente el consumo de energía durante la fabricación de fibra de carbono (CF).

Como un alótropo de carbono bidimensional de una sola capa, el grafeno demuestra propiedades superiores a los CNT, que incluyen un área de superficie más grande, movilidad superior de electrones, mayor resistencia a la tracción y módulo de Young. Sin embargo, experimentos recientes que utilizaron cristal líquido de óxido de grafeno (GO) en la fabricación de fibra de carbono, dieron como resultado fibras con una resistencia a la tracción deficiente debido a su pobre alineación intrínseca y cristalinidad.

Con la teoría de que el grafeno prístino puede ser un mejor aditivo que los CNT y el GO para las fibras de carbono a base de PAN, los investigadores de ORNL, UVA y Penn State agregaron una pequeña cantidad de grafeno prístino exfoliado por cizallamiento (0.01 a 1.0% en peso) a un PAN / dimetil solución de sulfóxido (PAN / DMSO) para afinar las propiedades de la pasta de hilado PAN. Los resultados mostraron que las fibras de carbono a base de PAN / grafeno con 0.075% en peso de grafeno exhibieron una resistencia a la tracción de 1916 MPa y un módulo de Young de 233 GPa, un aumento del 225% en la resistencia y un aumento del 184% en el módulo en comparación con las fibras de carbono PAN sin grafeno.

Además, los resultados de la simulación de dinámica molecular a gran escala muestran que la adición de grafeno introduce una química de borde favorable, promueve el contenido de carbono, mejora la alineación de la cadena de polímero y aumenta la cristalinidad.

Los autores afirman que estos resultados no solo amplían la comprensión de la producción de fibra de carbono basada en PAN, sino que también proporcionan una base para desarrollar fibras precursoras alternativas de bajo costo mejoradas con grafeno, que pueden producir fibras de carbono que ofrecen un rendimiento superior y un costo más bajo que el PAN actual. productos basados.