Serat karbon yang diperkuat graphene dapat menawarkan jalan menuju komposit yang lebih kuat dan lebih murah
Sebagaimana diterbitkan oleh Graphene Council, para peneliti di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL, Oak Ridge, Tenn., US), University of Virginia (UVA, Charlottesville, Va., US) dan Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pa ., AS) telah menerbitkan penelitian dalam Science Advances edisi April 2020 , mengevaluasi penggunaan grafena murni sebagai aditif pada larutan poliakrilonitril (PAN) untuk serat prekursor serat karbon berdasarkan penelitian sebelumnya menggunakan karbon nanotube (CNT) dan cairan graphene oxide (GO).
Penulis menjelaskan bagaimana menambahkan CNT tidak hanya dapat mengoptimalkan PAN spinning dope dan parameter koagulasi, tetapi juga berfungsi sebagai templat untuk penyelarasan dan orientasi rantai polimer dan agen nukleasi untuk kristalisasi polimer. Mereka mengutip penelitian oleh Chae et al . yang melaporkan peningkatan 49% dalam modulus serat karbon dan peningkatan kekuatan 64% dengan penambahan 1,0% berat karbon nanotube. Penambahan CNT juga telah terbukti menurunkan suhu karbonisasi, yang secara signifikan dapat mengurangi konsumsi energi selama pembuatan serat karbon (CF).
Sebagai alotrop karbon dua dimensi berlapis tunggal, graphene menunjukkan sifat superior terhadap CNT, termasuk luas permukaan yang lebih besar, mobilitas elektron superior, kekuatan tarik yang lebih tinggi, dan modulus Young. Namun, percobaan baru-baru ini menggunakan kristal cair graphene oxide (GO) dalam fabrikasi serat karbon, menghasilkan serat dengan kekuatan tarik di bawah standar karena keselarasan dan kristalinitas intrinsiknya yang buruk.
Berteori bahwa grafena murni mungkin merupakan aditif yang lebih baik daripada CNT dan GO untuk serat karbon berbasis PAN, peneliti ORNL, UVA, dan Penn State menambahkan sejumlah kecil grafena murni terkelupas-geser (0,01 hingga 1,0% berat) ke PAN/dimetil larutan sulfoksida (PAN/DMSO) untuk menyempurnakan sifat-sifat obat bius pemintalan PAN. Hasil menunjukkan bahwa serat karbon berbasis PAN/graphene dengan 0,075 % berat graphene menunjukkan kekuatan tarik 1916 MPa dan modulus Young 233 GPa — peningkatan kekuatan 225% dan peningkatan modulus 184% dibandingkan dengan serat karbon PAN tanpa graphene.
Selain itu, hasil simulasi dinamika molekuler skala besar menunjukkan bahwa menambahkan graphene memperkenalkan kimia tepi yang menguntungkan, meningkatkan kandungan karbon, meningkatkan penyelarasan rantai polimer, dan meningkatkan kristalinitas.
Penulis mengklaim hasil ini tidak hanya memperluas pemahaman tentang produksi serat karbon berbasis PAN tetapi juga memberikan landasan untuk mengembangkan serat prekursor alternatif berbiaya rendah yang ditingkatkan oleh graphene, yang dapat menghasilkan serat karbon yang menawarkan kinerja superior dan biaya lebih rendah untuk PAN- saat ini. produk berbasis.
