Fibras de carbono reforçadas com grafeno podem oferecer um caminho para compósitos mais fortes e mais baratos

Conforme publicado pelo Graphene Council, pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., EUA), da University of Virginia (UVA, Charlottesville, Va., US) e da Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pa ., EUA) publicaram pesquisas na edição de abril de 2020 da Science Advances , avaliando o uso de grafeno puro como um aditivo para solução de poliacrilonitrila (PAN) para fibras precursoras de fibra de carbono com base em pesquisas anteriores usando nanotubos de carbono (CNTs) e óxido de grafeno (GO) líquido.

Os autores explicam como a adição de CNTs pode não apenas otimizar os parâmetros de coagulação e dope giratório de PAN, mas também servir como modelo para o alinhamento e orientação das cadeias de polímero e o agente de nucleação para a cristalização do polímero. Eles citam a pesquisa de Chae et al . que relatou um aumento de 49% no módulo de fibra de carbono e um aumento de 64% na resistência com a adição de 1,0% em peso de nanotubos de carbono. A adição de CNTs também demonstrou diminuir a temperatura de carbonização, o que pode reduzir significativamente o consumo de energia durante a fabricação de fibra de carbono (CF).

Como um alótropo de carbono bidimensional de camada única, o grafeno demonstra propriedades superiores aos CNTs, incluindo maior área de superfície, mobilidade superior de elétrons, maior resistência à tração e módulo de Young. No entanto, experimentos recentes usando cristal líquido de óxido de grafeno (GO) na fabricação de fibra de carbono, resultaram em fibras com resistência à tração abaixo da média, devido ao seu pobre alinhamento intrínseco e cristalinidade.

Teorizando que o grafeno puro pode ser um aditivo melhor do que CNTs e GO para fibras de carbono à base de PAN, os pesquisadores de ORNL, UVA e Penn State adicionaram uma pequena quantidade de grafeno puro esfoliado por cisalhamento (0,01 a 1,0% em peso) a um PAN / dimetil solução de sulfóxido (PAN / DMSO) para ajustar as propriedades do dope giratório PAN. Os resultados mostraram que as fibras de carbono à base de PAN / grafeno com 0,075% em peso de grafeno exibiram uma resistência à tração de 1916 MPa e o módulo de Young de 233 GPa - um aumento de 225% na resistência e um aumento de 184% no módulo em comparação com as fibras de carbono PAN sem grafeno.

Além disso, os resultados da simulação de dinâmica molecular em grande escala mostram que a adição de grafeno introduz uma química de borda favorável, promove o conteúdo de carbono, melhora o alinhamento da cadeia do polímero e aumenta a cristalinidade.

Os autores afirmam que esses resultados não apenas expandem a compreensão da produção de fibra de carbono à base de PAN, mas também fornecem uma base para o desenvolvimento de fibras precursoras alternativas de baixo custo aprimoradas por grafeno, que podem produzir fibras de carbono que oferecem desempenho superior e menor custo para os atuais PAN- produtos baseados.