Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
Tecnologia di imaging a infrarossi (IR) presso l'Australian Synchrotron, sviluppato specificamente per l'analisi della fibra di carbonio, ha contribuito a una migliore comprensione dei cambiamenti chimici che influenzano la struttura nella produzione di fibre di carbonio ad alte prestazioni utilizzando un materiale precursore.
Una collaborazione di ricerca guidata da Carbon Nexus, una struttura di ricerca globale sulla fibra di carbonio presso la Deakin University, Swinburne University of Technology e membri del team di microspettroscopia a infrarossi presso l'Australian Synchrotron, ha appena pubblicato un articolo su Journal of Materials Chemistry A che ha identificato e aiutato a spiegare importanti cambiamenti strutturali che si verificano durante la produzione di fibre di carbonio.
La ricerca è stata intrapresa per chiarire l'esatta trasformazione chimica che si verifica durante il trattamento termico del poliacrilonitrile (PAN), che ha prodotto cambiamenti strutturali.
La maggior parte delle fibre di carbonio commerciali sono prodotte da PAN, ma durante la produzione si è verificata un'imperfezione che ha influito sulle proprietà del materiale.
Poiché la conversione del PAN in fibra di carbonio non è avvenuta in modo uniforme su tutta la fibra, ha provocato una struttura del nucleo della pelle.
I produttori vogliono prevenire la formazione della struttura pelle-nucleo per migliorare la resistenza delle fibre.
La ricerca condotta dal dottor Nishar Hameed fornisce la prima definizione quantitativa sullo sviluppo della struttura chimica lungo la direzione radiale delle fibre PAN utilizzando l'imaging IR ad alta risoluzione.
Distribuzione chimica dei gruppi funzionali nitrilici (C≡N) e C=N a) 0-min b) 12-min e c) fibre PAN trattate da 24 minuti (con grafici di contorno 3D dei gruppi funzionali corrispondenti mostrati sul lato destro) . Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
"Sebbene sia passato più di mezzo secolo da quando le fibre di carbonio sono state sviluppate per la prima volta, le esatte trasformazioni chimiche e l'effettivo sviluppo della struttura durante il trattamento termico sono ancora sconosciute".
"Il risultato scientifico più significativo di questo studio è che le reazioni chimiche critiche per lo sviluppo della struttura si sono verificate a una velocità maggiore nel nucleo della fibra durante il riscaldamento, interrompendo così la convinzione, vecchia di oltre 50 anni, che questa reazione avvenga alla periferia della fibra a causa del calore diretto".
Una moltitudine di tecniche sperimentali, inclusa la spettroscopia IR, ha confermato che le differenze strutturali si sono evolute lungo la direzione radiale delle fibre, che ha prodotto l'imperfezione.
La differenza tra pelle e nucleo nelle fibre stabilizzate si è evoluta dalle differenze nel meccanismo di reticolazione delle catene molecolari dalla pelle al nucleo.
Le informazioni potrebbero potenzialmente aiutare i produttori a migliorare il processo di produzione e portare a fibre migliori.
"Utilizzando una tecnica chiamata Attenuated Total Reflection (ATR) per focalizzare il raggio di sincrotrone, la linea di luce IR ha permesso al team di ricerca di acquisire immagini attraverso singole fibre, per vedere dove i tripli legami carbonio-carbonio nel PAN venivano convertiti in doppi legami, " ha detto il dottor Mark Tobin, Scienziato principale, IR, al sincrotrone australiano, che è coautore con il dottor Pimm Vongsvivut e il dottor Keith Bambery.
Carbon Nexus gestisce la linea pilota in fibra di carbonio più personalizzata al mondo. Credito:Organizzazione australiana per la scienza e la tecnologia nucleare (ANSTO)
"Precedenti studi IR sono stati condotti su fasci di fibre e fibre in polvere, mentre siamo stati in grado di analizzare la sezione trasversale dei singoli filamenti".
Per acquisire immagini dettagliate delle fibre, che sono solo 12 micron di diametro, il team IR ha modificato la linea di luce per l'esperimento utilizzando un cristallo di germanio altamente lucidato per focalizzare il raggio IR sulle fibre.
Mappe ad alta risoluzione basate su sincrotrone hanno confermato che la concentrazione di nitrile (C≡N) era più alta nelle aree in cui i gruppi funzionali C=N erano più bassi.
"Il nitrile (C≡N) viene sostituito da C=N mentre il PAN passa attraverso il processo di conversione in fibra di carbonio. Questo avviene più velocemente nel mezzo delle fibre, ecco perché, a metà del processo, vedi un "anello" di C≡N. Il C=N è un picco nel mezzo, " ha spiegato Tobin.
Caratteristiche chimiche "coppa e cono" catturate dall'imaging IR, ha anche confermato che un alto grado di reazione per formare strutture cicliche si è verificato nel nucleo rispetto alla pelle.
Altre tecniche sperimentali, che sono stati intrapresi presso Carbon Nexus e Factory of the Future presso la Swinburne University of Technology, inclusa la microscopia ottica, Microspettroscopia Raman, nanoindentazione, analisi termica e prove di trazione.
