Fibras de carbono mejoradas con grafeno: Nueva ruta hacia compuestos más resistentes y rentables

Según publica el Graphene Council, investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, EE. UU.), Universidad de Virginia (UVA, Charlottesville, Virginia, EE. UU.) y Universidad Estatal de Pensilvania (Penn State, University Park, Pensilvania, EE. UU.) han publicado investigación en la edición de abril de 2020 de Science Advances, evaluando el uso de grafeno prístino como aditivo a solución de poliacrilonitrilo (PAN) para fibras precursoras de fibra de carbono basadas en investigación previa usando nanotubos de carbono (CNTs) y grafeno oxidado (GO) líquido.

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

Como alótropo de carbono bidimensional de una sola capa, el grafeno demuestra propiedades superiores a los CNTs, incluyendo mayor área superficial, movilidad electrónica superior, mayor resistencia a tracción y módulo de Young. Sin embargo, experimentos recientes usando líquido cristalino de grafeno oxidado (GO) en la fabricación de fibra de carbono, resultaron en fibras con resistencia a tracción inferior debido a su pobre alineación y cristalinidad intrínseca.

Teorizando que el grafeno prístino puede ser un mejor aditivo que CNTs y GO para fibras de carbono basadas en PAN, los investigadores de ORNL, UVA y Penn State añadieron una pequeña cantidad de grafeno prístino exfoliado por cizallamiento (0,01 a 1,0% en peso) a una solución PAN/dimetilsulfóxido (PAN/DMSO) para ajustar finamente las propiedades del dope de hilado PAN. Los resultados mostraron que fibras de carbono basadas en PAN/grafeno con 0,075% en peso de grafeno exhibieron una resistencia a tracción de 1916 MPa y módulo de Young de 233 GPa - un aumento del 225% en resistencia y 184% en módulo comparado con fibras de carbono PAN sin grafeno.

Además, resultados de simulación de dinámica molecular a gran escala muestran que la adición de grafeno introduce química de borde favorable, promueve contenido de carbono, mejora la alineación de cadenas 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 coste mejoradas por grafeno, que pueden producir fibras de carbono que ofrecen rendimiento superior y menor coste que los productos actuales basados en PAN.