Samarbejdet forskning kan føre til forbedringer i produktionen af ​​kulfiber

Infrarød (IR) billedteknologi ved den australske Synchrotron, udviklet specielt til kulfiberanalyse, har bidraget til en bedre forståelse af kemiske ændringer, der påvirker strukturen i produktionen af ​​højtydende kulfibre ved hjælp af et forstadiemateriale.

Et forskningssamarbejde ledet af Carbon Nexus, en global kulfiberforskningsfacilitet ved Deakin University, Swinburne University of Technology og medlemmer af infrarød mikrospektroskopi-teamet ved den australske synkrotron, har netop udgivet en artikel i Journal of Materials Chemistry A der identificerede og hjalp med at forklare vigtige strukturelle ændringer, der sker under produktionen af ​​kulfibre.

Forskningen blev udført for at belyse den nøjagtige kemiske transformation, der forekommer under varmebehandlingen af ​​polyacrylonitril (PAN), som førte til strukturelle ændringer.

Størstedelen af ​​kommercielle kulfibre er fremstillet af PAN, men der har været en ufuldkommenhed under produktionen, som påvirkede dets materialeegenskaber.

Fordi omdannelsen af ​​PAN til kulfiber ikke skete jævnt på tværs af fiberen, det resulterede i en hudkernestruktur.

Producenter ønsker at forhindre dannelsen af ​​hud-kernestrukturen for at øge styrken af ​​fibrene.

Forskningen ledet af Dr. Nishar Hameed giver den første kvantitative definition af den kemiske strukturudvikling langs den radiale retning af PAN-fibre ved hjælp af højopløsnings IR-billeddannelse.

"Selvom det har været mere end et halvt århundrede, at kulfibre først blev udviklet, de nøjagtige kemiske omdannelser og den faktiske strukturudvikling under varmebehandling er stadig ukendt".

"Det mest betydningsfulde videnskabelige resultat af denne undersøgelse er, at de kritiske kemiske reaktioner for strukturudvikling viste sig at foregå med en hurtigere hastighed i fiberens kerne under opvarmning, dermed forstyrrer den mere end 50 år gamle tro på, at denne reaktion sker i periferien af ​​fiberen på grund af direkte varme."

Et væld af eksperimentelle teknikker, herunder IR-spektroskopi, bekræftede, at strukturelle forskelle udviklede sig langs fibrenes radiale retning, som frembragte ufuldkommenheden.

Forskellen mellem hud og kerne i stabiliserede fibre udviklede sig fra forskelle i tværbindingsmekanismen for molekylære kæder fra huden til kernen.

Oplysningerne kan potentielt hjælpe producenter med at forbedre produktionsprocessen og føre til bedre fibre.

"Ved at bruge en teknik kaldet Attenuated Total Reflection (ATR) til at fokusere synkrotronstrålen, IR-strålelinjen gjorde det muligt for forskerholdet at erhverve billeder på tværs af individuelle fibre, for at se, hvor kulstof-kulstof tripelbindinger i PAN blev omdannet til dobbeltbindinger, " sagde Dr Mark Tobin, ledende videnskabsmand, IR, ved den australske synkrotron, som er medforfatter med Dr. Pimm Vongsvivut og Dr. Keith Bambery.

"Tidligere IR-undersøgelser er blevet udført på fiberbundter og pulveriserede fibre, mens vi var i stand til at analysere tværsnittet af enkelte filamenter."

For at få detaljerede billeder af fibrene, som kun er 12 mikron på tværs, IR-holdet modificerede strålelinjen til eksperimentet ved at bruge en højpoleret germaniumkrystal til at fokusere IR-strålen på fibrene.

Synkrotronbaserede kort med høj opløsning bekræftede, at koncentrationen af ​​nitril (C≡N) var højere på de områder, hvor de C=N-funktionelle grupper var lavere.

"Nitrilet (C≡N) erstattes af C=N, da PAN'et gennemgår processen med at omdanne til kulfiber. Dette foregår hurtigere i midten af ​​fibrene, hvilket er grunden til – en del af processen – du ser en "ring" af C≡N. C=N er en top i midten, " forklarede Tobin.

'Kop og kegle' kemiske egenskaber fanget ved IR-billeddannelse, bekræftede også, at en høj grad af reaktionen for at danne cykliske strukturer fandt sted i kernen sammenlignet med huden.

Andre eksperimentelle teknikker, som blev udført på Carbon Nexus og Factory of the Future på Swinburne University of Technology, inkluderet optisk mikroskopi, Raman mikrospektroskopi, nanoindentation, termisk analyse og trækprøvning.