211service.com
Grafēna-polimēru kompozīts
Izkliedējot polimēros nelielu daudzumu grafēna, viena slāņa plakanas oglekļa atomu loksnes, pētnieki ir izgatavojuši izturīgus, vieglus materiālus. Kompozītmateriāli vada elektrību un var izturēt daudz augstāku temperatūru nekā polimēri atsevišķi.
Mazs, bet grūts: Skenējošā elektronu mikroskopa attēlos ir redzamas simtiem nanometru garas grafēna loksnes, kas ir iestrādātas polimērā, lai padarītu to stingrāku, stingrāku, karstumizturīgāku un elektriski vadošu.
Polimērus var ievadīt ar oglekļa nanocaurulēm, lai iegūtu materiālus ar līdzīgām īpašībām. Bet grafēns varētu būt daudz lētāks. Jūs varat iegādāties [grafītu] maisiņos par dolāriem par mārciņu, savukārt vienas sienas nanocaurules maksā simtiem dolāru par gramu, saka. Katrīna Brinsone , Ziemeļrietumu universitātes mašīnbūves profesors, kurš vadīja darbu, kas tika publicēts tiešsaistē Dabas nanotehnoloģijas .
Grafēns var arī radīt mazāk toksicitātes problēmu nekā oglekļa nanocaurules. Atsevišķs Dabas nanotehnoloģijas pētījums atklāja, ka garās oglekļa nanocaurules izraisa tādas pašas toksiskas reakcijas pelēm kā azbests. Bažas rada tas, ka oglekļa nanocaurules var atdarināt azbesta šķiedras, kas ir pietiekami plānas, lai iekļūtu plaušās un izraisītu vēzi. No otras puses, grafēna biezums ir tikai nanometrs, saka Lorenss Drzals , Mičiganas štata universitātes Kompozītmateriālu un konstrukciju centra direktors. Tie ir salīdzinoši lieli divās citās dimensijās. Viņi nespēs iziet cauri asins smadzeņu barjerām vai iekļūt šūnās.
Grafēna-polimēru kompozītmateriāli būtu ideāli piemēroti vieglu benzīna tvertņu un plastmasas trauku izgatavošanai, kas uztur pārtiku svaigu nedēļām ilgi. Tos varētu izmantot arī vieglāku, degvielas patēriņa ziņā efektīvāku lidmašīnu un automašīnu detaļu, kā arī spēcīgāku vēja turbīnu, medicīnisko implantu un sporta aprīkojuma izgatavošanai. Turklāt tie ir labi elektrības vadītāji, un tos var izmantot, lai izgatavotu caurspīdīgus vadošus pārklājumus saules baterijām un displejiem.
Šis progress ir daļa no plašākiem pētījumiem, lai izveidotu nanodaļiņās iestrādātus polimērus. Oglekļa un stikla šķiedras tradicionāli tiek izmantotas polimēru stiprināšanai - stikla šķiedra ir izplatīts piemērs. Tomēr atšķirībā no šķiedrām pietiek ar ļoti mazu nanodaļiņu daudzumu – mazāk nekā 2 procentiem no kompozītmateriāla tilpuma, lai polimērs būtu stiprāks un karstumizturīgāks. Tā kā tiek izmantots mazāk pildvielu, kompozīts var saglabāt polimēra stiepjamību vai caurspīdīgumu.
Māla nanodaļiņas un oglekļa nanocaurules ir spēcīgi pretendenti izmantošanai polimēru kompozītmateriālos. Toyota ražo dažas dzinēja daļas no māla-neilona kompozītmateriāliem, kas ir stiprāki un spēj izturēt daudz augstāku temperatūru nekā neilons. Ar oglekļa nanocaurulēm piesūcināti polimēri tiek izmantoti beisbola nūju un golfa nūju izgatavošanai, un tos var izmantot automašīnu daļās, piemēram, rokturos un spārnos — daļās, kuras ir vieglāk krāsot elektrostatiski, ja tās vada elektrību. Bet oglekļa nanocauruļu ražošanas augstās izmaksas ir ierobežojušas to izmantošanu.
Grafēns varētu būt lētāka alternatīva. Galvenais sasniegums, kas nepieciešams, lai izveidotu grafēna-polimēra hibrīdu, bija pareiza veida grafēna loksnes. Pētniekiem bija nepieciešams viens vai divi grafēna slāņi ar dažām hidroksilgrupām vai skābekļa atomiem, kas karājās uz virsmas: tie palīdz grafēnam savienoties ar polimēru un vienmērīgi izkliedēties. Prinstonas universitātes pētnieki, kuri ir šī raksta līdzautori, izstrādāja veidu, kā izolēt šādas grafēna loksnes no grafīta oksīda, ātri paplašinot materiālu augstā temperatūrā.
Pēc tam Brinsone un viņas kolēģi Northwestern atrada veidu, kā vienmērīgi sadalīt grafēnu polimērā. Tie izkliedē grafēnu vienā šķīdinātājā un izšķīdina polimēru citā. Pēc tam tie sajauc abus, līdz grafēns ir vienmērīgi izkliedēts visā polimērā, un tie iztvaiko šķīdinātājus.
Brinsons saka, ka visām mūsu demonstrētajām īpašībām grafēna loksnes darbojas vienādi vai labāk nekā nanocaurules. Izmantojot to pašu polimēru, pētnieki izgatavoja divus kompozītmateriālus, no kuriem viens saturēja 1 svara procentu oglekļa nanocaurules, bet otrs saturēja tādu pašu daudzumu grafēna. Grafēna pievienošana polimēram padarīja to par 80 procentiem stingrāku, savukārt oglekļa nanocaurules padarīja to nedaudz vairāk nekā par 50 procentiem stingrāku. Grafēna kompozīts varēja izturēt par 30 ºC augstāku temperatūru, salīdzinot ar polimēru vien, savukārt oglekļa nanocaurules nepalielināja temperatūras stabilitāti.
Ziemeļrietumu materiāls saskaras ar smagu konkurentu. Pamatojoties uz tehnoloģiju, ko Mičiganas štata universitātes Drzal izstrādāja, uzņēmums sauca East Lansing, MI X G Zinātnes izveido izmēģinājuma rūpnīcu, lai ražotu dažādus izplatītus polimērus, kas satur grafēna trombocītus. Trombocīti satur apmēram piecu grafēna slāņu kaudzes, nevis vienu loksni. Uzņēmuma galvenais zinātnieks Drzals saka, ka plastmasas izstrādājumu ražošanas metožu laikā kaudzes nesaburzīs un nesaritinās. Tas ir tāpat kā tad, ja jums ir viens papīrs salīdzinājumā ar 10 papīra loksnēm… Kaudzīte ir daudz stingrāka un izturīgāka. Tos ir arī lētāk ražot, viņš saka. Jo vairāk jūs virzīsit uz vienu lapu, jo dārgāks process.
Viens daudzsološs grafēna kompozītmateriālu izmantošanas veids būs degvielas tvertņu un pārtikas iepakojumu izgatavošana. Gāzes un šķidruma molekulas var iekļūt caur vienkāršiem polimēriem, saka Rodnijs Rūfs Teksasas Universitātes Ostinā, kurš bija iesaistīts darbā. Bet grafēna kompozītmateriāli var veidot necaurlaidīgu barjeru. Tas nozīmē, ka degvielas tvertnes uzlikas noturēs tvaikus un izkliedēs statisko elektrību. Jūs varētu turēt sviestmaizes ārpus ledusskapja sešus mēnešus, ja skābeklis neieplūst un neoksidē [tās], iesaka Rūfs.