WikiDer > Углеродное нановолокно

Carbon nanofiber
Обычные углеродные нановолокна.
Углеродное нановолокно с наборной чашкой: электронная микрофотография (слева) и модель (справа).[1]

Углеродные нановолокна (УНВ)углеродные волокна, выращенные из пара (VGCF), или углеродные нановолокна, выращенные из пара (VGCNF), имеют цилиндрическую форму. наноструктуры с графен слои расположены в стопке шишки, чашки или тарелки. Углеродные нановолокна со слоями графена, завернутые в идеальную цилиндры называются углеродные нанотрубки.

Вступление

Углерод обладает высоким уровнем гибкости химического связывания, что позволяет образовывать ряд стабильных Органический и Неорганический Молекулы. Элементарный углерод имеет ряд аллотропы(варианты) в том числе алмаз, графит, и фуллерены.[2] Хотя все они состоят из элементарного углерода, их свойства сильно различаются. Это подчеркивает универсальность УНВ, которые отличаются улучшенными тепловыми, электрическими, электромагнитными экранами и улучшенными механическими свойствами.[3] Поскольку углерод легко доступен по низкой цене, УНВ являются популярными добавками для композитные материалы.[4] CNF очень малы, существуют в нанометр шкала. An атом составляет от 0,1 до 0,5 нм, поэтому специализированный микроскопический такие методы, как Сканирующая туннельная микроскопия и Атомно-силовая микроскопия необходимы для изучения свойств CNFs.[нужна цитата]

Синтез

Каталитическое химическое осаждение из паровой фазы (CCVD) или просто CVD с такими вариантами, как термическое и плазменное, является доминирующим коммерческим методом для производства VGCF и VGCNF. Здесь молекулы газовой фазы разлагаются при высоких температурах, а углерод осаждается в присутствии переходный металл катализатор на подложке, где происходит последующий рост волокна вокруг частиц катализатора. Как правило, этот процесс включает отдельные стадии, такие как разложение газа, осаждение углерода, рост волокна, утолщение волокна, графитизация и очистка, в результате чего образуются полые волокна. Диаметр нановолокна зависит от размера катализатора. Процесс CVD для производства VGCF обычно делится на две категории:[5] 1) процесс с фиксированным катализатором (периодический) и 2) процесс с плавающим катализатором (непрерывный).

В пакетном процессе, разработанном Tibbetts,[6] смесь углеводород / водород / гелий пропускали через муллит (кристаллический силикат алюминия) с мелкими отложениями железных частиц катализатора, поддерживаемых при температуре 1000 ° C. В углеводород использованный был метан в концентрации 15% об. Рост волокна в несколько сантиметров был достигнут всего за 10 минут при времени пребывания в газе 20 секунд. Как правило, длину волокна можно контролировать с помощью времени пребывания газа в реакторе. Гравитация и направление газового потока обычно влияют на направление роста волокна.[5]

Процесс с непрерывным или плавающим катализатором был ранее запатентован Кояма и Эндо.[7] и позже был изменен Хатано и сотрудниками.[8] Этот процесс обычно дает VGCF с диаметром менее микрометра и длиной от нескольких до 100мкм, что соответствует определению углеродных нановолокон. Они использовали металлоорганические соединения, растворенные в летучем растворителе, таком как бензол это приведет к образованию смеси ультратонких частиц катализатора (диаметром 5–25 нм) в углеводородном газе при повышении температуры до 1100 ° C. В печи рост волокон начинается на поверхности частиц катализатора и продолжается до тех пор, пока не произойдет отравление катализатора примесями в системе. В механизме роста волокон, описанном Бейкером и соавторами,[9] только та часть частицы катализатора, которая подвергается воздействию газовой смеси, способствует росту волокна, и рост прекращается, как только открытая часть покрывается, т.е. катализатор отравлен. Частица катализатора остается погребенной в кончике роста волокна с конечной концентрацией около нескольких частей на миллион. На этом этапе происходит утолщение волокна.[нужна цитата]

Наиболее часто используемый катализатор - это утюг, часто лечится сера, сероводороди т. д., чтобы снизить температура плавления и облегчить его проникновение в поры углерода и, следовательно, произвести больше участков роста.[2] Fe / Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO и Al2О3 также используются в качестве катализатора.[10][11] Ацетилен, этилен, метан, натуральный газ, и бензол являются наиболее часто используемыми углеродистыми газами. Часто монооксид углерода (CO) вводится в газовый поток для увеличения выхода углерода за счет снижения возможных оксидов железа в системе.[нужна цитата]

В 2017 году исследовательская группа из Университета Цинхуа сообщила об эпитаксиальном росте выровненных непрерывных углеродных нановолокон без катализатора из углеродная нанотрубка шаблон. Процесс изготовления включает утолщение сплошных пленок углеродных нанотрубок путем газофазного пиролитического осаждения углерода и дальнейшую графитизацию углеродного слоя путем высокотемпературной обработки. Благодаря механизму эпитаксиального роста волокно обладает превосходными свойствами, включая низкую плотность, высокую механическую прочность, высокую электропроводность и высокую теплопроводность.[12]

Безопасность

В Закон о безопасности и гигиене труда (США) (1970) был движущей силой многих изменений, внесенных в отношении безопасности на рабочем месте за последние несколько десятилетий. Одна небольшая группа из множества веществ, которые должны регулироваться этим актом, - это углеродные нановолокна (УНВ). Хотя все еще активно ведутся исследования, были проведены исследования, указывающие на риски для здоровья, связанные с: углеродные нанотрубки (CNT) и CNF, которые представляют большую опасность, чем их массовые аналоги. Одной из основных опасностей, вызывающих беспокойство, связанных с CNT и CNF, является поражение органов дыхания, такое как воспаление легких, гранулема и фиброз. Однако важно отметить, что эти результаты наблюдались на мышах, и что в настоящее время неизвестно, будут ли такие же эффекты наблюдаться у людей. Тем не менее, эти исследования послужили поводом для попытки минимизировать воздействие этих наночастицы.[13]

Отдельное исследование, проведенное перед ежегодным собранием Общества токсикологов в 2013 г., направлено на выявление потенциальных канцерогенный эффекты, связанные с многослойными углеродными нанотрубками (MWCNT). Полученные данные показали, что в присутствии химического вещества-инициатора MWCNT вызывают гораздо большее количество опухолей у мышей. Однако не было никаких указаний на увеличение присутствия опухолей в отсутствие химического инициатора. Для этого сценария необходимы дальнейшие исследования.[13]

Одним из основных препятствий при выявлении опасностей, связанных с CNF, является разнообразие существующих волокон. Некоторые из факторов, способствующих этому разнообразию, включают форму, размер и химический состав. Один стандарт воздействия (2015 г.) гласит, что допустимый предел воздействия CNT и CNF составляет 1 мкг / м3 элементарного углерода фракции вдыхаемого размера (8-часовое средневзвешенное значение). Этот стандарт был основан на информации, полученной с 14 сайтов, образцы которых были проанализированы просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ).[14]

Недавний паспорт безопасности (SDS) для CNF (пересмотренный в 2016 году) перечисляет нановолокна как раздражители глаз и заявляет, что они обладают токсичностью для органов дыхательной системы при однократном воздействии. УНВ меньшего размера обладают большим потенциалом образования пылевых облаков при обращении с ними. Таким образом, при обращении с CNF необходимо соблюдать большую осторожность. Рекомендуемые средства индивидуальной защиты (СИЗ) для работы с CNF включают нитриловые перчатки, респираторы для твердых частиц и непроницаемую для наноматериалов одежду (в зависимости от условий рабочего места). В дополнение к контролю воздействия при работе с CNF, безопасные условия хранения также важны для минимизации риска, связанного с CNF. Безопасное хранение CNF предполагает хранение волокон вдали от окислителей и открытого огня. В условиях пожара CNF образуют опасные продукты разложения, хотя точная природа этих продуктов разложения в настоящее время неизвестна. Помимо канцерогенности и токсичности для органов, токсикологические данные по CNF в настоящее время весьма ограничены.[15]

Приложения

  • Исследователи используют нановолокна для доставки терапевтических лекарств. Они разработали эластичный материал, в который встроены иглы, похожие на углеродные нановолокна. Материал предназначен для использования в качестве баллонов, которые вводятся рядом с пораженной тканью, а затем надуваются. Когда баллон надувается углеродом, нановолокна проникают в больные клетки и доставляют лечебные препараты. Исследователи из Массачусетского технологического института использовали углеродные нановолокна для изготовления электродов литий-ионных аккумуляторов, которые обладают в четыре раза большей емкостью, чем ток. литий-ионные батареи. Исследователи используют нановолокна для создания сенсоров, которые меняют цвет по мере поглощения химических паров. Они планируют использовать эти датчики, чтобы показать, когда поглощающий материал в противогазе становится насыщенным.[16]
  • Уникальная структура этих пористых углеродных нановолокон привела к хорошим электрохимическим характеристикам, таким как высокая обратимая емкость и хорошая циклическая стабильность, когда они использовались в качестве анодов для аккумуляторных батарей. литий-ионные батареи.[17]
  • Дальнейшее развитие рынка будет зависеть от наличия материалов по разумным ценам. Мы достигли мощностей массового производства углеродных нановолокон высокой чистоты (УНВ) по низкой цене за счет каталитического химическое осаждение из паровой фазы (CCVD) процесс.[4]
  • В отличие от каталитического синтеза, электропрядение полиакрилонитрила (ПАН) с последующей стабилизацией и карбонизацией стало прямым и удобным способом получения непрерывных углеродных нановолокон.[18]
  • Автоэлектронная эмиссия источники
    • Автоэлектронная эмиссия (также известный как автоэлектронная эмиссия (FE) и электронная автоэлектронная эмиссия) - это эмиссия электронов, индуцированная электростатическим полем. Самый распространенный контекст - автоэмиссия с твердой поверхности в вакуум. Однако автоэлектронная эмиссия может происходить с твердых или жидких поверхностей в вакуум, воздух, жидкость или любой непроводящий или слабопроводящий диэлектрик. Вызванное полем продвижение электронов из валентной зоны в зону проводимости полупроводников (эффект Зинера) также можно рассматривать как форму автоэлектронной эмиссии.[19]
  • Композитные материалы
  • Сканирующая зондовая микроскопия чаевые
  • Материал-носитель для различных катализаторы в нефтехимия
  • В вертикально выровненных массивах платформа для доставка генов. (Видеть Прокол)
    • Импалефекция - это метод доставки генов с использованием наноматериалов, таких как углеродные нановолокна, углеродные нанотрубки, нанопроволоки. Игольчатые наноструктуры синтезируются перпендикулярно поверхности подложки. Плазмидная ДНК, содержащая ген, предназначенная для внутриклеточной доставки, прикрепляется к поверхности наноструктуры. Затем чип с множеством этих игл прижимается к клеткам или ткани. Клетки, пронизанные наноструктурами, могут экспрессировать доставленный ген (ы).[21]
  • Для электродных материалов[22]
  • Ликвидация разливов нефти
    • Ликвидация разливов нефти: процесс производства углерод-углеродного композитного материала включает стадии обработки углеродсодержащего материала-носителя металлсодержащим каталитическим материалом. Металл способен образовывать наноразмерные углеродные структуры и выращивать наноразмерные углеродные структуры с помощью химическое осаждение из паровой фазы способ на обработанном носителе в газовой атмосфере, содержащей углеродсодержащий газ, с последующей необязательной стадией модификации поверхности. Этот процесс позволяет оптимизировать пористость, гидродинамические свойства и химию поверхности независимо друг от друга, что особенно выгодно при использовании композита для очистки воды. Композиты на основе технического углерода особенно полезны для наполнителей.[23]

История

Одной из первых технических записей, касающихся углеродных нановолокон, является, вероятно, патент Хьюза и Чемберса на синтез нитевидного углерода 1889 года.[24] Они использовали газовую смесь метана и водорода и выращивали углеродные волокна через газ. пиролиз и последующее отложение углерода и рост волокон. Однако настоящая оценка этих волокон пришла гораздо позже, когда их структуру можно было проанализировать с помощью электронная микроскопия.[2] Первые наблюдения углеродных нановолокон с помощью электронной микроскопии были выполнены в начале 1950-х годов советскими учеными Радушкевичем и Лукьяновичем, опубликовавшими в «Советском журнале физической химии» статью, в которой были показаны полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нанометров.[25] В начале 1970-х японские исследователи Моринобу Эндо, ныне директор Института углеродных наук и технологий Университет Синшу, сообщили об открытии углеродных нановолокон, в том числе некоторые из них имели форму полых трубок.[26] Ему также удалось произвести VGCF диаметром 1 мкм и длиной более 1 мм.[27] Позже, в начале 1980-х, Тиббетс[6] в США и Бениссаде[28] во Франции продолжали совершенствовать процесс изготовления VGCF. В США более глубокие исследования, посвященные синтезу и свойствам этих материалов для передовых приложений, возглавлял Р. Терри К. Бейкер.[нужна цитата] Они были мотивированы необходимостью подавить рост углеродных нановолокон из-за постоянных проблем, вызванных накоплением материала в различных промышленных процессах, особенно в конкретной области переработки нефти. В 1991 году японские исследователи Сумио Иидзима, работая на NEC, синтезировали полые молекулы углерода и определили их кристаллическую структуру. В следующем году эти молекулы были названы "углеродные нанотрубки" в первый раз.[29] VGCNF производится по существу с использованием того же производственного процесса, что и VGCF, только диаметр обычно меньше 200 нм. Несколько компаний по всему миру активно участвуют в промышленном производстве углеродных нановолокон, и для этих материалов интенсивно разрабатываются новые инженерные приложения, последним из которых является пористый композит, содержащий углеродное нановолокно, для ликвидации разливов нефти.[30]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Гуаданьо, Либерата; Раймондо, Мариалуиджи; Виттория, Виттория; Вертуччо, Луиджи; Лафди, Халид; Де Виво, Бьяджо; Ламберти, Патриция; Спинелли, Джованни; Туччи, Винченцо (2013). «Роль дефектов углеродных нановолокон на электрические и механические свойства смол на основе УНВ». Нанотехнологии. 24 (30): 305704. Bibcode:2013Nanot..24D5704G. Дои:10.1088/0957-4484/24/30/305704. PMID 23843601.
  2. ^ а б c Морган, П. (2005) Углеродные волокна и их композиты, Taylor & Francis Group, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида.[страница нужна]
  3. ^ Тиббетс, G; Озеро, М; Сильный, К; Райс, Б. (2007). «Обзор изготовления и свойств выращенных из паровой фазы углеродных нановолокон / полимерных композитов». Композиты Наука и Технология. 67 (7–8): 1709–18. Дои:10.1016 / j.compscitech.2006.06.015.
  4. ^ а б Hammel, E; Тан, X; Трамперт, М; Шмитт, Т; Маутнер, К; Эдер, А; Pötschke, P (2004). «Углеродные нановолокна для композитных приложений». Углерод. 42 (5–6): 1153–8. Дои:10.1016 / j.carbon.2003.12.043.
  5. ^ а б Берчелл, Т. Д. (1999) Углеродные материалы для передовых технологий, Пергамон (Elsevier Science Ltd.), Оксфорд, Великобритания.[страница нужна]
  6. ^ а б Тиббетс, Гэри Дж. (1985). «Длина углеродных волокон, выращенных из частиц катализатора железа в природном газе». Журнал роста кристаллов. 73 (3): 431–8. Bibcode:1985JCrGr..73..431T. Дои:10.1016/0022-0248(85)90005-3.
  7. ^ Кояма Т. и Эндо М. (1983) "Способ производства углеродных волокон парофазным процессом", патент Японии 1982-58, 966.
  8. ^ Hatano, M .; Ohsaki, T .; Аракава, К. (1985). «Усы графита нового процесса и их композиты». Наука о передовых материалах и процессах, Национальный симпозиум SAMPE, 30: 1467–76.
  9. ^ Бейкер, Р. (1972). «Зарождение и рост углеродных отложений в результате разложения ацетилена, катализируемого никелем». Журнал катализа. 26: 51–62. Дои:10.1016/0021-9517(72)90032-2.
  10. ^ Де Йонг, Крайн П.; Геус, Джон В (2007). «Углеродные нановолокна: каталитический синтез и применение». Обзоры катализа. 42 (4): 481–510. Дои:10.1081 / CR-100101954. HDL:1874/2326.
  11. ^ Дадвар, Саид; Таванай, Хоссейн; Моршед, Мохаммад (2012). «Эффект внедрения MgO и Al2О3 наночастиц в прекурсоре на характеристики пор нановолокон активированного угля на основе ПАН ». Журнал аналитического и прикладного пиролиза. 98: 98–105. Дои:10.1016 / j.jaap.2012.08.001.
  12. ^ Линь, Сяоянь; Чжао, Вэй; Чжоу, Вэньбинь; Лю, Пэн; Ло, Шу; Вэй, Хаомин; Ян, Гуанчжи; Ян, Цзюньхэ; Цуй, Цзе (2017-02-14). «Эпитаксиальный рост ориентированных и сплошных углеродных нановолокон из углеродных нанотрубок». САУ Нано. 11 (2): 1257–1263. Дои:10.1021 / acsnano.6b04855. ISSN 1936-0851. PMID 28165709.
  13. ^ а б Воздействие углеродных нанотрубок и нановолокон на рабочем месте. Текущий разведывательный бюллетень 65. Национальный институт охраны труда и здоровья. 2013. Дои:10.26616 / NIOSHPUB2013145.[страница нужна]
  14. ^ Дам, Мэтью М; Шубауэр-Бериган, Мэри К; Эванс, Дуглас Э; Берч, М. Эйлин; Фернбэк, Джозеф Э; Дедденс, Джеймс А (2015). «Оценка воздействия углеродных нанотрубок и нановолокон: анализ 14 посещений объектов». Анналы гигиены труда. 59 (6): 705–23. Дои:10.1093 / annhyg / mev020. ЧВК 4507369. PMID 25851309.
  15. ^ http://www.pyrografproducts.com/Merchant5/pdf/SDS_v9_PS.pdf[требуется полная цитата][постоянная мертвая ссылка]
  16. ^ Нановолокна: использование и применение нановолокон http://www.understandingnano.com/nanofiber-applications.html (по состоянию на 27 ноября 2017 г.).
  17. ^ Джи, Ливен; Чжан, Сянву (2009). «Изготовление пористых углеродных нановолокон и их применение в качестве анодных материалов для литий-ионных аккумуляторных батарей». Нанотехнологии. 20 (15): 155705. Bibcode:2009Nanot..20o5705J. Дои:10.1088/0957-4484/20/15/155705. PMID 19420557.
  18. ^ Ивасаки, Томохиро; Макино, Юрий; Фукукава, Макото; Накамура, Хидейя; Ватано, Сатору (2016). «Низкотемпературный рост углеродных нановолокон, легированных азотом, с помощью ацетонитрильного каталитического CVD с использованием катализаторов на основе Ni». Прикладная нанонаука. 6 (8): 1211–8. Bibcode:2016ApNan ... 6.1211I. Дои:10.1007 / s13204-016-0535-х.
  19. ^ Fowler, R.H; Нордхейм, L (1928). «Электронная эмиссия в интенсивных электрических полях». Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки. 119 (781): 173–81. Bibcode:1928RSPSA.119..173F. Дои:10.1098 / rspa.1928.0091. JSTOR 95023.
  20. ^ Салапака, Шриниваса; Салапака, Мурти (2008). «Сканирующая зондовая микроскопия». Журнал IEEE Control Systems. 28 (2): 65–83. Дои:10.1109 / MCS.2007.914688.
  21. ^ Макнайт, Тимоти Э; Мелечко, Анатолий В; Хенсли, Дейл К.; Манн, Дэвид Дж. Дж; Гриффин, Гай Д; Симпсон, Майкл L (2004). «Отслеживание экспрессии генов после доставки ДНК с использованием пространственно индексированных массивов нановолокон». Нано буквы. 4 (7): 1213–9. Bibcode:2004НаноЛ ... 4.1213М. Дои:10.1021 / nl049504b.
  22. ^ Рассаеи, Лиза; Силланпяя, Мика; Бонне, Майкл Дж; Маркен, Франк (2007). "Композитные электроды из углеродного нановолокна и полистирола для электроаналитических процессов". Электроанализ. 19 (14): 1461–6. Дои:10.1002 / elan.200703887.
  23. ^ https://www.google.ch/patents/EP1871709A1?hl=de&cl=en[требуется полная цитата]
  24. ^ Хьюз, Т. В. и Чемберс, К. Р. (1889) "Производство углеродных волокон", Патент США 405480 .
  25. ^ Радушкевич, Л. В. (1952). "О Структуре Углерода, Образующегося При Термическом Разложении Окиси Углерода На Железном Контакте" [О структуре углерода, образованного термическим разложением оксида углерода на железном контакте] (PDF). Журнал Физической Химии (на русском). 26: 88–95. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-05. Получено 2017-02-16.
  26. ^ Оберлин, А; Эндо, М; Кояма, Т. (1976). «Нитевой рост углерода за счет разложения бензола». Журнал роста кристаллов. 32 (3): 335–49. Bibcode:1976JCrGr..32..335O. Дои:10.1016/0022-0248(76)90115-9.
  27. ^ Кояма, Цунео; Эндо, Моринобу (1973). «Структура и процесс роста углеродных волокон, выращенных из паров». Ойо Бутури. 42 (7): 690–6. Дои:10.11470 / oubutsu1932.42.690.
  28. ^ Бениссад, Фарида; Гадель, Патрис; Кулон, Мишель; Боннетейн, Люсьен (1988). «Формирование углеродных волокон из метана: I Croissance cattique et epaississement pyrolytique» [Образование углеродных волокон из метана: I Каталитический рост и пиролитическое сгущение]. Углерод (На французском). 26 (1): 61–9. Дои:10.1016/0008-6223(88)90010-3.
  29. ^ Иидзима, Сумио (1991). «Винтовые микротрубочки графитового углерода». Природа. 354 (6348): 56–8. Bibcode:1991Натура 354 ... 56I. Дои:10.1038 / 354056a0.
  30. ^ Шлогль, Роберт и другие. (2009) «Нанокарбон-активированный уголь». Патент США 20,090,220,767