Serat Karbon Ditingkatkan Grafen: Jalur Baru untuk Komposit Lebih Kuat dan Hemat Biaya
Seperti yang diterbitkan oleh Graphene Council, peneliti di Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, AS), Universitas Virginia (UVA, Charlottesville, Virginia, AS) dan Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pennsylvania, AS) telah menerbitkan penelitian dalam edisi April 2020 dari Science Advances, mengevaluasi penggunaan grafen utuh sebagai tambahan ke dalam larutan PAN untuk serat prekursor serat karbon berdasarkan penelitian sebelumnya menggunakan nanotubus karbon (CNT) dan cairan oksida grafien (GO).
Para penulis menjelaskan bagaimana menambahkan CNT tidak hanya dapat mengoptimalkan dope penenunan PAN dan parameter kogulasi, tetapi juga berfungsi sebagai templat untuk perataan dan orientasi rantai polimer serta agen inti untuk kristalisasi polimer. Mereka menyebut penelitian oleh Chae et al. yang melaporkan peningkatan modulus serat karbon 49% dan peningkatan kekuatan 64% dengan penambahan 1,0 wt % nanotubus karbon. Penambahan CNT juga telah ditunjukkan untuk menurunkan suhu karbonisasi, yang dapat secara signifikan mengurangi konsumsi energi selama manufaktur serat karbon (CF).
Sebagai alotrop karbon dua dimensi lapis tunggal, grafien menunjukkan properti yang lebih unggul dibandingkan CNT, termasuk luas permukaan yang lebih besar, mobilitas elektron yang lebih baik, kekuatan regangan yang lebih tinggi dan modulus Young. Namun, eksperimen terbaru menggunakan cairan kristal oksida grafien (GO) dalam pembuatan serat karbon, menghasilkan serat dengan kekuatan regangan kurang baik karena perataan intrinsik dan kristalin yang buruk.
Teorizing bahwa grafien utuh mungkin menjadi tambahan yang lebih baik daripada CNT dan GO untuk serat karbon berbasis PAN, peneliti ORNL, UVA dan Penn State menambahkan sejumlah kecil grafien utuh eksfoliasi geser (0,01 hingga 1,0 wt %) ke dalam larutan PAN/dimetil sulfoksida (PAN/DMSO) untuk menyetel properti dope penenunan PAN. Hasil menunjukkan bahwa serat karbon PAN/grafien dengan 0,075 wt % grafien menunjukkan kekuatan regangan 1916 MPa dan modulus Young 233 GPa — peningkatan kekuatan 225% dan peningkatan modulus 184% dibandingkan serat karbon PAN tanpa grafien.
Selain itu, hasil simulasi dinamika molekuler skala besar menunjukkan bahwa penambahan grafien memperkenalkan kimia tepi yang menguntungkan, mempromosikan konten karbon, meningkatkan perataan rantai polimer dan meningkatkan kristalin.
Para penulis mengklaim hasil ini tidak hanya memperluas pemahaman tentang produksi serat karbon berbasis PAN tetapi juga memberikan dasar untuk pengembangan serat prekursor alternatif biaya rendah yang ditingkatkan dengan grafien, yang dapat menghasilkan serat karbon yang menawarkan performa yang lebih unggul dan biaya lebih rendah dibandingkan produk berbasis PAN saat ini.
