Gemakkelijker en veiliger om koolstofnanobuisjes te gebruiken in polymeer nanocomposiet

Een onderzoeksteam van Skoltech, Aalto University en Kurnakov Institute heeft onlangs een nieuwe, veelzijdige en eenvoudige benadering ontwikkeld voor het gebruik van koolstofnanobuisjes voor de productie van koolstofnanobuisjes-polymeer nanocomposieten. De methode wordt gerapporteerd in Carbon en omvat het maken van briketten: dichte pakketten van koolstofnanobuisjespoeders. Nanocomposieten gemaakt met briketten presteren even goed als die gemaakt van de duurdere masterbatches, die ook polymeerspecifiek zijn – dat wil zeggen minder veelzijdig.

“Wij geloven dat het gebruik van dichte briketten van koolstofnanobuisjes de ontwikkeling van de koolstofnanobuiscomposietindustrie aanzienlijk kan vergemakkelijken. Deze techniek is goedkoop en toepasbaar op een breed scala aan polymeermatrices, zonder dat dit ten koste gaat van de elektrische en thermische eigenschappen van het uiteindelijke materiaal”, aldus de hoofdauteur van het onderzoek, Skoltech-promovendus Hassaan Butt.

In de afgelopen decennia zijn koolstofnanobuisjes intensief onderzocht door onderzoekers uit de academische wereld en de industrie vanwege hun unieke combinatie van elektrische, thermische en mechanische eigenschappen. Ondertussen zijn op polymeer gebaseerde nanocomposieten de grootste toepassing van koolstofnanobuisjes geworden en de toepassing die het dichtst bij wijdverbreide integratie in het dagelijks leven staat. Het is gemakkelijk te begrijpen waarom: de kleinste hoeveelheden nanobuisjes die aan een polymeer worden toegevoegd, geven het materiaal fundamenteel nieuwe eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid en piëzoweerstand, en verbeteren ook de thermische en mechanische eigenschappen ervan op cruciale wijze.

Het recente onderzoek in Carbon begon als een poging om de uitdaging aan te pakken om voldoende dispersie van koolstofnanobuisjes in een gastpolymeer te bereiken om optimale composieteigenschappen te bereiken. Daartoe onderzochten Skoltech-onderzoekers en hun medewerkers van het Kurnakov Instituut de methode voor snelle expansie van superkritische oplossing (RESS) van nanobuisjes, wat leidt tot hun deagglomeratie. Het leverde echter geen verbeteringen op in de uiteindelijke eigenschappen van polymere nanocomposieten. Het team besloot de implicaties hiervan vanuit het tegenovergestelde perspectief te onderzoeken.

Co-auteur van het onderzoek en een van de belangrijkste bijdragers, Skoltech-promovendus Ilya Novikov, legde uit: “Nu we ons realiseerden dat snelle expansie een tienvoudige afname van de bulkdichtheid van de nanobuisjes oplevert, maar de composieteigenschappen niet verbetert, dachten we: waarom niet? we doen het tegenovergestelde en comprimeren in plaats daarvan de poeders. Wat als compressie de prestaties van het materiaal niet schaadt?” De reden dat dit spannend zou zijn, voegde hij eraan toe, is dat een hogere dichtheid meer gemak betekent en minder veiligheidsrisico's bij de productie als gevolg van ongewenste aërosolisatie van nanobuisjes.