1 Departamentul de inginerie avansată a materialelor organice și a sistemelor textile, Universitatea Națională Chungnam, Daejeon, Republica Coreea

microparticulelor

Abstract

Acest studiu a sugerat condițiile optime pentru dispersia stabilă a microparticulelor de celuloză în dopul de filare PAN, care a fost pregătit pentru filarea fibrei. Multe studii de cercetare au investigat metode pentru prepararea unei varietăți de precursori de fibre de carbon, în încercarea de a controla caracteristicile acestora în funcție de aplicații. Pentru a prepara fibra PAN care conține particule fine de celuloză, este important să se creeze un dop de filare uniform dispersat. Minimizarea dimensiunii particulelor de celuloză a fost supusă tratamentului termic la diferite temperaturi pentru a reduce forța de coeziune din legăturile de hidrogen dintre moleculele de celuloză. Microparticulele de celuloză carbonizată au fost obținute pentru o dispersie eficientă utilizând metoda fizică și metoda de sedimentare. Au fost efectuate mai multe analize instrumentale pentru a studia caracteristicile particulelor și soluțiilor cu SEM, FT-IR, XRD și un analizor de dimensiune a particulelor. Din rezultate, dispersia dopului de filare PAN cu un tratament chimic a fost superioară metodei de măcinare urmată de tratamentul termic. În acest studiu, microparticulele de celuloză pentru tratarea termică la 400 ° C s-au dovedit a fi cea mai eficientă metodă.

1. Introducere

O fibră de carbon este un tip de fibră care conține peste 90% carbon și poate fi preparată prin tratamentul termic al unei fibre organice ca precursor. Aplicațiile cu fibre de carbon sunt extinse la domeniile aerospațial, de apărare, energie, construcție de nave, producție de vehicule, sport și timp liber datorită proprietăților excelente ale materialului, inclusiv rezistență specifică, modul specific și stabilitate termică. Recent, problemele emergente de economisire a energiei și încălzirea globală au dus la accelerarea aplicării materialelor ușoare, cum ar fi fibra de carbon. Utilizarea acestei fibre este deosebit de promițătoare în industria aeronavelor, deoarece este ușoară, are o schimbare mai mică a volumului și este stabilă la temperaturi ridicate și atacuri chimice, păstrând în același timp rezistență ridicată și modul ridicat.

Fibra de carbon este clasificată în trei grupe pe baza materialului de pornire: fibra de carbon pe bază de raion, fibră de carbon pe bază de pitch și fibră de carbon pe bază de PAN [1-4]. Fibra de carbon pe bază de raion are proprietăți termice bune și modul ridicat. Costurile de procesare pentru fibra de carbon pe bază de pas sunt accesibile, ceea ce face utilizarea sa avantajoasă pentru producători. Fibra de carbon pe bază de PAN este utilizată în multe tipuri de compozite, datorită rezistenței sale ridicate. Studiile de dezvoltare a proceselor au fost efectuate pe scară largă, deoarece fibra de carbon de înaltă performanță poate fi obținută prin stabilizare și prin procesul de carbonizare [5-7]. După procesul de carbonizare a stabilizării bine controlate a fibrelor de carbon pe bază de PAN, rezistența la rupere și la forfecare a materialului va fi îmbunătățită astfel încât să poată fi aplicată materialului compozit.

Datorită necesității materialelor cu proprietăți mecanice și termice excelente, diverse cercetări au fost dezvoltate în mod constant în tehnologia hibridă a materialelor din fibră de carbon. De exemplu, fibra de carbon, care are o conductivitate termică relativ ridicată și o izolație termică scăzută, avea limite pentru utilizarea în duza motorului rachetă și în aplicațiile reactorului nuclear. Aceste aplicații necesită materiale care prezintă simultan proprietăți de rezistență ridicată, ușoare și izolare. Pentru a aborda aceste puncte, este necesar să se dezvolte un nou tip de fibră de carbon. Recent, a fost raportat un compozit de înaltă performanță din fibră de carbon cu nanofibre anorganice și nanoparticule de celuloză [8]. Pe baza rezultatelor conductivităților termice ale fibrelor de carbon cu diferiți precursori, conductivitatea termică a fibrei de carbon pe bază de raion, tratată termic la 1500 K, a fost cu 20,5% mai mică decât cea a fibrei de carbon pe bază de PAN tratată termic la 1600 K. Conductivitatea termică a fibrei de carbon pe bază de raion, tratată termic la 2500 K, s-a dovedit, de asemenea, cu 16,7% mai mică decât cea a fibrei de carbon pe bază de pas, tratată termic la 2700 K [9]. Folosind acest rezultat, a fost realizat un studiu privind scăderea conductivității termice folosind un compozit din fibre de carbon pe bază de PAN și particule de microceluloză [10].

În acest studiu, preparatul, inclusiv dispersia particulelor de celuloză, a fost investigat pentru fibre compozite de carbon pe bază de PAN cu particule de celuloză pentru a reduce conductivitatea termică a fibrei compozite fără a scădea elasticitatea acesteia. Cel mai important proces pentru fabricarea unei fibre compozite este dispersia particulelor fine de celuloză în aluatul PAN. În acest studiu actual, metoda chimică și metoda fizică au fost aplicate pentru a spori dispersia. În metoda fizică, dimensiunea particulelor de celuloză este redusă prin tratament termic și frezare mecanică. În cele din urmă, se poate produce o fibră de carbon compusă pe bază de PAN cu particule de celuloză. Acest rezultat dezvăluie posibilitatea preparării fibrelor compozite care va produce proprietăți personalizate. Sunt necesare cercetări suplimentare legate de analiza proprietăților termice și a proprietăților mecanice ale fibrelor de carbon compozite, care vor fi realizate prin studii de cercetare în curs.

2. Metode experimentale

2.1. Materiale

Precursorul de poliacrilonitril (PAN) utilizat ca materie primă pentru fibra de carbon a fost furnizat de Bluestar Fibers Co., Ltd., China, deoarece 12 K se potrivește, fibra de carbon fără remorcare Single Tow. Ca solvent pentru fabricarea dopului PAN s-a utilizat dimetilsulfoxid de calitate comercială (DMSO) cu o puritate de 99%. A fost obținut de la Samcheon Co., Ltd., un furnizor local. Particule microcristaline de celuloză cu un Mw mediu. de

80.000 și densitatea în vrac de 0,6 g/ml la 25 ° C au fost achiziționate de la Sigma Aldrich Co., Ltd., SUA.

2.2. Prepararea particulelor de celuloză pentru dispersie

Datorită raportului mare de aspect al particulelor de celuloză și legăturii de hidrogen dintre molecule, a fost dificil să le dispersați în dopul PAN. Pentru a îmbunătăți această dispersie și pentru a crește stabilitatea acesteia, s-au aplicat metoda de tratament chimic și metoda de tratament fizic.

2.2.1. Tratament chimic

Tratamentul chimic a fost efectuat utilizând pașii următori. Particulele microcristaline de celuloză au fost adăugate cu 10% în greutate în soluția DMSO conținând 0,5% în greutate LiCI. După agitare și umflare timp de 12 ore la 70 ° C, legătura ar putea fi eliminată prin sonicare. Probele au fost spălate cu apă deionizată de mai multe ori și apoi uscate timp de 12 ore la 100 ° C în cuptorul uscat sub vid.

2.2.2. Tratamentul fizic

Particulele de celuloză pentru dispersie au fost preparate prin frezare mecanică după tratament termic. Condițiile de tratament termic au fost de 300 ° C, 350 ° C, 400 ° C și 1.200 ° C. Condițiile detaliate de tratament termic sunt prezentate în Tabelul 1. În cazul tratamentului termic la 1.200 ° C, particulele tratate termic cu celuloză la 400 ° C au fost utilizate pentru al doilea tratament termic la 1.200 ° C în N2. Procesul de fabricație pentru drogurile PAN care conținea particule de celuloză a constat în trei etape. În primul pas, particulele de celuloză au fost supuse unui tratament termic. În a doua etapă, particulele au fost dispersate. În etapa finală a fost realizată soluția stabilă DMSO. Procesul detaliat utilizat pentru prepararea dopului PAN care conține particulele de celuloză dispersate este prezentat în Figura 1.