Carbon Nanofibers fra Aldrich Materials Science

Ved David Burton, Patrick Lane og Andrew Palmer of Applied Science

Innholdsfortegnelse

Innledning

Pyrograf ®-III damp-vokst karbon nanofibers er innenfor klasse av materialer kalt multi-vegger karbon nanorør (MWCNTs), og er produsert av flytende katalysator metoden. Carbon nanofibers (CNFs) er usammenhengende, svært graphitic, svært kompatibel med de fleste polymer prosessering teknikker, og de kan være spredt i et isotropt eller anisotrop modus. CNFs har gode mekaniske egenskaper, høy elektrisk ledningsevne og høy varmeledningsevne, som kan formidles til et bredt spekter av matriser inkludert termoplaster, herdeplaster, elastomerer, keramikk og metaller. Carbon nanofibers har også en unik overflate tilstand, noe som letter funksjonalisering og andre overflate modifikasjon teknikker for å skreddersy / ingeniør på nanofiber til verten polymer eller program. Carbon nanofibers er tilgjengelig i en frittflytende pulver form (typisk 99% massen er i en fibrøs form). Typiske fysiske egenskaper Pyrograf karbon nanofibers tilgjengelig fra Aldrich Materials Science er oppført i tabell 1.

Tabell 1. Velg Egenskaper av Pyrograf Carbon Nanofibers

* Dette tetthet bør brukes til å konvertere masse brøker i volum fraksjoner i en kompositt.

Produkt Beskrivelse og spesifikasjoner

Pyrograf ®-III damp-vokst karbon nanofibers besitter en unik morfologi (Figur 1) for øyeblikket ikke tilgjengelig fra andre nanomaterial produsenter. Den enkelte nanofiber er utfelt fra en katalysator partikkel, og har en hul kjerne som er omgitt av en sylindrisk fiber består av svært krystallinsk grafitt basal flyene stablet ved ca 25 grader fra den langsgående aksen av fiber. Dette morfologi, kalt "stablet kopp" eller "fiskebein", genererer en fiber med synlige kanten fly langs hele den innvendige og utvendige flater av nanofiber. Disse edge nettsteder er reaktiv, i forhold til basal planet av grafitt, og legge til rette kjemisk modifisering av fiber overflate for maksimal innlemmelse og mekanisk forsterkning i polymer kompositter. Denne åpne arkitektur muliggjør også hurtig interkalering og de-interkalering av heterogene atomer, nyttig for tuning ledningsevnen.

Figur 1. HRTEM mikrografer av PR-25 karbon nanofiber viser eksponerte kanten steder danner den indre og ytre flater av nanofiber veggen

Den karbon nanofibers blir tilbudt gjennom Aldrich Materials Science har gjennomsnittlig diameter på mellom 125-150 nm avhengig av klasse, og har lengder fra 50 til 100 mikrometer. Den nanofibers er mye mindre i diameter enn konvensjonelle kontinuerlig eller frest karbon fiber (5-10 nm) og betydelig større enn karbon nanorør (1-20 nm), men tilbyr mange av de samme fordelene. Den karbon nanofibers er behandlet etter produksjonen for å formidle ulike egenskaper på overflaten staten. Tre typer nanofibers er tilgjengelig. Den første er pyrotically strippet (Aldrich Prod. Nr. 719811 ) for å fjerne overflate hydrokarboner og generere et perfekt underlag for kjemisk binding. Dette produktet fungerer også som en forløper for de to andre oppføringer. Den andre oppføringen er termisk behandlet til 1500 ° C (Aldrich Prod. Nr. 719803 ) for å gi den beste kombinasjonen av mekaniske og elektriske egenskaper. Endelig er den tredje liste termisk behandlet til 2900 ° C (Aldrich Prod. Nr. 719781 ) til å generere en katalysator gratis produkt og maksimere varmeledningsevne eiendommer i kompositter.

Egenskaper og bruksområder

Elektrisk ledningsevne

Endo et al. først rapportert den iboende ledningsevne av svært graphitic damp-vokst karbon fiber ved romtemperatur å være 5 x 10 ^-5 Ω.cm, som er nær resistivitet av grafitt. Siden nesten alle av den elektriske ledningsevnen i karbon nanofiber / polymer kompositter er gjennom nettverket av karbon nanofibers, er det klart at gode fiber spredning og vedlikehold av fiber lengde vil hjelpe for å oppnå høy kompositt elektrisk ledningsevne på selv en lav fiber lasting. På grunn av deres høye elektriske ledningsevne og høyt sideforhold, kan CNF formidle tilsvarende elektrisk ledningsevne til et sammensatt ved lavere belastninger enn konvensjonelle ledende fyllstoff. Også ved å kontrollere lasting, kan man produsere kompositter med ulike elektriske resistivitet verdier. Dette er særlig viktig for applikasjoner som krever en resistivitet i forskjellige serier som for eksempel elektrostatiske ødsling (ESD) ^{10 juni til 10 august Ω.cm}, elektrostatisk lakkering ^{10 april til 10 juni Ω.cm}, EMI skjerming {10 ³ - 10 ¹ Ω.cm}, og lynnedslag beskyttelse {<10 Ω.cm}.

Figuren representerer percolation kurver mulig med ulike CNF lasting nivåer og skjær forhold. Høyere skjær nivåer under kompositt behandlingen føre til høyere percolation terskler.

Figur 2. Volume elektrisk motstand av kompositter laget med CNF som en funksjon av fiber vekt lasting.

Mekanisk Armering

Direkte måling av individuelle nanometer skala fibre har bare nylig blitt oppnådd og bare reproduserbart i begrensede mengder. Ozkan et al. utføres forsiktig strekkfasthet målinger direkte på individuelle karbon nanofibers og målte den sanne styrke. Basert på den ringformede tverrsnittsareal, ble sterke funnet å være så høy som 8,7 GPa, som nærmer seg styrken av grafitt mikrofiber. Den modulus av karbon nanofiber er inferred å være 600 GPa basert på direkte målinger av den overordnede klasser av karbon nanofiber, eller makroskopiske damp-vokst karbon fibers.6 Når innarbeidet i polymer kompositter, kan karbon nanofiber øke strekkfasthet, trykkfasthet , Youngs modulus, interlaminar skjærstyrke, bruddseighet, og vibrasjonsdemping av basen polymer. Omfanget av forbedring er avhengig av type polymer, graden av spredning, og behandling historie.

Figur 3. Oversikt over de mekaniske egenskapene til CNF-baserte komposittmaterialer.

Termiske egenskaper

Den termiske ledningsevnen i karbon nanofiber kan utledes til å være 2000 W / mK igjen, basert på direkte målinger av den overordnede klasser av karbon nanofibers, eller makroskopiske damp-vokst karbonfibre. Av de tre karbon nanofiber typer, bare nanofiber termisk behandlet nanofiber 2900 + ° C (Aldrich Prod. Nr. 719781 ) gir et betydelig løft til varmeledningsevne av polymer kompositt. Lafdi og Matzek var i stand til å oppnå en økning av varmeledningsevne fra 0,2 W / mK for epoxy til 2,8 W / mK for en 20 vekt% Vapor Grown CNF kompositt. Disse resultatene indikerer at, i motsetning til styrke eller stivhet, god kopling til matrisen er ikke nødvendig for å oppnå høy varmeledningsevne, slik compounding mindre kritiske.

Andre forskere har fokusert på de brannhemmende egenskapene til karbon nanofibers i termoplastiske materialer. Composites lastet med karbon nanofibers og utsatt for en flamme utstilt forsinket og lavere peak varmeavgivelse priser, lavere røyk utslipp, og ingen drypping eller sammenslåing av smeltet polymer.

Linker beskriver ytelsen til CNF som en flammehemmende tilsetning i polymere kompositter er tilgjengelig på NIST sin (National Institute of Standards and Technology) nettside:

CNFs i Fleksibel Polyuretan Skum

CNFs i Clay Skum

CNFs Cut Antennelighet av stoppede møbler

Figur 4. Enhanced Brann retardancy av CNFs vs talkum og Clays. Brukt med tillatelse fra NIST: Polymer for Advanced Technologies, juni 2008

Gitt at grafitt har et lavt termisk ekspansjon, ble polymere kompositter lastet med karbon nanofibers ikke bare forventet, men har vist seg å ha vesentlig lavere koeffisienter av termisk ekspansjon av enn ryddig matrise.

Figur 5. En graf som viser redusert koeffisient av termisk exapansion (CTE) av en 15 vol% CNF kompositt vs ryddig polymer materiale.

Om Sigma Aldrich

Sigma-Aldrich ® er en ledende høyteknologisk selskap. Gjennom vårt Materialkjemi Centers of Excellence innen forskning og produksjon vi utvikler avanserte, slik at material for mikro / nanoelektronikk, alternativ energi, skjerm / optoelektronikk, nanoteknologi og relatert materialvitenskap og tekniske anvendelser. Spesialiteter inkluderer ALD forløpere, ultra-høy renhet uorganiske halogenider, brenselcelle materialer, elektronisk grade fargestoffer, spesialitet monomerer og cGMP grade polymerer.

Kilde: Sigma Aldrich

For mer informasjon om denne kilden besøk Sigma Aldrich