Kulstof nanofibre (de er også kulstof nanofibre ) er kulstof cylindriske nanostrukturer, som er lag af grafen stablet i en stak i form af kegler , "kopper" eller plader.
Kulstof kan eksistere i form af rørformede mikrostrukturer kaldet filamenter eller fibre. I de seneste årtier har kulfibernes unikke egenskaber udvidet den videnskabelige base og teknologien for kompositmaterialer.
Carbon nanofibre (CNF'er) er en klasse af materialer, hvori buede grafenlag eller nanokegler er foldet til et kvasi-endimensionelt filament, hvis indre struktur kan karakteriseres ved vinklen α mellem grafenlagene og fiberaksen [1] . En almindelig skelnen er mellem de to hovedfibertyper: Sildeben med tæt pakkede koniske grafenlag og stort α, og bambus med cylindriske koplignende grafenlag og små α, som mere ligner flervæggede kulstofnanorør . I tilfælde af ægte CNT'er er α imidlertid nul.
UNV har tiltrukket sig stor opmærksomhed blandt forskere for deres potentielle termiske, elektriske, afskærmende og mekaniske egenskaber [2] . På grund af deres ekstraordinære egenskaber og lave omkostninger bliver de nu i stigende grad brugt i forskellige materialer såsom kompositter [3] .
Katalytisk kemisk dampaflejring (CCVD), eller blot kemisk dampaflejring (CVD) i forskellige former, såsom termisk og plasmaaflejring, er den vigtigste kommercielle teknologi til fremstilling af CNF'er. I dette tilfælde nedbrydes gasfasens molekyler ved høje temperaturer, og kulstof aflejres i nærvær af katalysatorer fra overgangsmetaller på substratet, hvorpå fiberen vokser videre omkring katalysatorpartiklerne. Generelt omfatter denne proces separate trin såsom gasnedbrydning, kulstofaflejring, fibervækst, fiberfortykkelse, grafitisering og oprensning. Diameteren af nanofibrene afhænger af størrelsen af katalysatoren.
CVD-processen til fremstilling af CNF er normalt opdelt i to kategorier [4] : den faste katalysatorproces (batch) og den flydende katalysatorproces (kontinuerlig). I serieproduktionen udviklet af Tibbets [5] blev en blanding af kulbrinter med brint og helium ført over mullit (krystallinsk aluminosilikat) med en fin jernkatalysator holdt ved 1000 °C. Methan blev anvendt som kulbrinte i en koncentration på 15 volumen%. En fiber på flere centimeter blev opnået på kun 10 minutter i nærværelse af en gas i 20 sekunder. Generelt kan længden af fiberen styres ved at styre den tid, gassen er til stede i reaktoren. Tyngdekraften og retningen af gasstrømmen påvirker normalt fibervækstretningen [6] . Den kontinuerlige eller flydende katalyseproces blev patenteret tidligere af Koyama og Endo [7] og senere modificeret af Hatano et al . [8] . Denne proces giver typisk CNF'er med submikron diameter og længder fra nogle få til 100 nm, i overensstemmelse med definitionen af kulstof nanofibre. De brugte organometalliske forbindelser opløst i et flygtigt opløsningsmiddel såsom benzin, som, når temperaturen hæves til 1100 °C, resulterer i en blanding af ultrafine katalysatorpartikler (5-25 nm i diameter) i en kulbrintegas. I ovnen påbegyndes fibervækst på overfladen af katalysatorpartiklerne og fortsætter, indtil katalysatoren er forgiftet af urenheder. Mekanismen for fibervækst er beskrevet af Baker og hans kolleger [9] , kun på en del af katalysatorpartiklerne i kontakt med gasblandingen vokser fibre og væksten stopper, så snart den åbne del af katalysatoren er dækket af urenheder, det vil sige, at katalysatoren bliver forgiftet. Katalysatorpartiklerne er coatet med fibre i en slutkoncentration på ca. nogle få ppm. På dette stadium er der en fortykkelse af fibrene.
Den mest almindelige anvendte katalysator er jern, ofte beriget med svovl, svovlbrinte, osv., for at sænke smeltepunktet og fremme indtrængning af kulstof i katalysatorens porer og derfor skabe flere vækstpunkter [10] . Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo og Pd bruges også som katalysatorer [11] [12] . Acetylen, ethylen, methan, naturgas og benzen er de mest almindeligt anvendte kulstofkilder til CNF-produktion. Ofte indføres kulilte (CO) i gasstrømmen for at øge kulstofudbyttet ved at reducere mængden af jernoxider i systemet.
Betydelige resultater i teknologien til CNF-syntese er blevet opnået i processerne med katalytisk nedbrydning af kulstofholdige gasser på mono- og bimetalliske katalysatorer indeholdende gruppe 8-metaller [13] [14] [15] . På grund af brugen af katalysatorer kan nedbrydningstemperaturen af kulholdige råmaterialer reduceres betydeligt (op til 500-700°C), hvilket gør det muligt at reducere energiomkostningerne til varmeforsyningen betydeligt, samt at slippe af med aflejringen af amorft kulstof på overfladerne af reaktorblokke. Ved anvendelse af den katalytiske metode til CNF-syntese under passende betingelser kan slutproduktet opnås i form af mesoporøse granulat, som består af tilfældigt sammenflettede kulstofnanofibre. At opnå CNF i granulær form er af utvivlsom interesse, da dette materiale let fjernes fra reaktoren, hældes, doseres og kan opbevares uden sammenklumpning i nogen beholder [16] .
En af de første data om produktionen af kulstofnanofibre er sandsynligvis et patent fra 1889 for syntesen af filamentøst kulstof af Hughes og Chambers [21] . De brugte en blanding af metan og brint til at dyrke kulstoffilamenter ved at pyrolysere gassen efterfulgt af kulstoffældning. Det blev muligt at tale om at få disse fibre med sikkerhed meget senere, da det blev muligt at studere deres struktur ved hjælp af et elektronmikroskop [10] . Den første observation af kulstofnanofibre ved hjælp af elektronmikroskopi blev lavet i begyndelsen af 1950'erne af de sovjetiske videnskabsmænd Radushkevich og Lukyanovich, som publicerede en artikel i Soviet Journal of Physical Chemistry, der viser hule grafitfibre af kulstof, der var 50 nanometer i diameter [22] .
I begyndelsen af 1970'erne lykkedes det japanske forskere Koyama og Endo [23] at opnå kulfibre ved dampfasedeposition (VGCF) med en diameter på 1 µm og en længde på mere end 1 mm. Senere, i begyndelsen af 1980'erne, fortsatte Tibbets [24] i USA og Benissad [25] i Frankrig med at forbedre kulfiberprocessen (VGCF). I USA blev mere dybtgående forskning i disse materialers syntese og egenskaber til praktiske anvendelser udført af R. Terry K. Baker [26] og var motiveret af behovet for at undertrykke væksten af kulstofnanofibre på grund af vedvarende problemer forårsaget af materialeakkumulering i forskellige kommercielle processer, især inden for olieraffinering.
Det første forsøg på kommercialisering af kulfibre dyrket fra gasfasen blev lavet af det japanske firma Nikosso i 1991 under varemærket Grasker® [10] , samme år publicerede Ijima sin berømte artikel, der rapporterede opdagelsen af kulstofnanorør (CNT'er) . I det væsentlige produceres kulstofnanofibre ved hjælp af samme proces som VGCF, kun deres diameter er typisk mindre end 200 nm. Adskillige virksomheder rundt om i verden er aktivt involveret i kommercialiseringen af produktionen af kulstofnanofibre og introduktionen af nye tekniske anvendelser af disse materialer, hvoraf den seneste er en porøs komposit indeholdende kulstofnanofibre til olieudslipsrespons [27] .
| Allotropi af kulstof | |
|---|---|
| sp 3 | |
| sp 2 | |
| sp | Karabin |
| blandet sp 3 /sp 2 | |
| Andet | |
| hypotetisk |
|
| relaterede | |