✖


Jump to content

Углеродное нановолокно

Обычные углеродные нановолокна.
Углеродное нановолокно со сложенной чашкой: электронная микрофотография (слева) и модель (справа). [1]

Углеродные нановолокна ( CNF ), углеродные волокна, выращенные из паровой фазы (VGCF), или углеродные нановолокна, выращенные из паровой фазы (VGCNF), представляют собой цилиндрические наноструктуры со графена слоями , расположенными в виде сложенных друг на друга конусов , чашек или пластин. Углеродные нановолокна со слоями графена, завернутыми в идеальные цилиндры, называются углеродными нанотрубками .

Введение

[ редактировать ]

Углерод обладает высоким уровнем гибкости химических связей, что способствует образованию ряда стабильных органических и неорганических молекул . Элементарный углерод имеет ряд аллотропов (вариантов), включая алмаз , графит и фуллерены . [2] Хотя все они состоят из элементарного углерода, их свойства сильно различаются. Это подчеркивает универсальность УНВ, которые отличаются улучшением теплового, электрического, электромагнитного экранирования и механических свойств. [3] Поскольку углерод доступен по низкой цене, УНВ являются популярными добавками к композитным материалам . [4] УНВ очень малы и существуют в нанометровом масштабе. составляет Размер атома специализированные микроскопические методы, такие как сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия . от 0,1 до 0,5 нм, поэтому для изучения свойств УНВ необходимы [ нужна ссылка ]

Синтез

[ редактировать ]

Каталитическое химическое осаждение из паровой фазы (CCVD) или просто CVD с такими вариантами, как термическое и плазменное, является доминирующим коммерческим методом производства VGCF и VGCNF. Здесь молекулы газовой фазы разлагаются при высоких температурах, а углерод осаждается в присутствии катализатора переходного металла из на подложке, где реализуется последующий рост волокна вокруг частиц катализатора. В целом этот процесс включает отдельные стадии, такие как разложение газа, осаждение углерода, рост волокон, утолщение волокон, графитацию и очистку, в результате чего получаются полые волокна. Диаметр нановолокон зависит от размера катализатора. Процесс CVD изготовления VGCF обычно делится на две категории: [5] 1) процесс с фиксированным катализатором (периодический) и 2) процесс с плавающим катализатором (непрерывный).

В периодическом процессе, разработанном Тиббетсом, [6] смесь углеводорода/водорода/гелия пропускали через муллит (кристаллический силикат алюминия) с мелкими отложениями частиц железного катализатора, поддерживаемыми при температуре 1000°C. использовался В качестве углеводорода метан в концентрации 15 об.%. Рост волокон в несколько сантиметров был достигнут всего за 10 минут при времени пребывания газа 20 секунд. В общем, длину волокна можно контролировать временем пребывания газа в реакторе. Сила тяжести и направление газового потока обычно влияют на направление роста волокна. [5]

Процесс с непрерывным или плавающим катализатором был ранее запатентован Коямой и Эндо. [7] и позже был модифицирован Хатано и его коллегами. [8] Этот процесс обычно дает VGCF субмикрометрового диаметра и длины от нескольких до 100 мкм , что соответствует определению углеродных нановолокон. Они использовали металлоорганические соединения, растворенные в летучем растворителе, таком как бензол , который давал смесь сверхмелких 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 его коллегами, [9] только часть частиц катализатора, подвергающаяся воздействию газовой смеси, способствует росту волокон, и рост прекращается, как только открытая часть покрывается, т.е. катализатор отравляется. Частица катализатора остается погруженной в кончик волокна при конечной концентрации около нескольких частей на миллион. На этом этапе происходит утолщение волокон. [ нужна ссылка ]

Наиболее часто используемым катализатором является железо , часто обрабатываемое серой , сероводородом и т. д. для понижения температуры плавления и облегчения его проникновения в поры углерода и, следовательно, для создания большего количества мест роста. [2] Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo, Pd, MgO и Al 2 O 3 . В качестве катализатора также используются [10] [11] Ацетилен , этилен , метан , природный газ и бензол являются наиболее часто используемыми углеродосодержащими газами. Часто окись углерода (CO) для увеличения выхода углерода за счет снижения возможных оксидов железа в системе. в поток газа вводят [ нужна ссылка ]

В 2017 году исследовательская группа из Университета Цинхуа сообщила об эпитикальном росте выровненного непрерывного углеродного нановолокна без катализатора из шаблона углеродных нанотрубок . Процесс изготовления включает утолщение непрерывных пленок углеродных нанотрубок путем газофазного пиролитического осаждения углерода и последующую 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

[ редактировать ]

Закон о безопасности и гигиене труда (США) (1970 г.) стал движущей силой многих изменений, внесенных в отношении безопасности на рабочем месте за последние несколько десятилетий. Одной небольшой группой из многочисленных веществ, которые должны регулироваться этим законом, являются углеродные нановолокна (УНВ). Несмотря на то, что это все еще активная область исследований, были проведены исследования, которые указывают на риски для здоровья, связанные с углеродными нанотрубками (УНТ) и УНВ, которые представляют большую опасность, чем их объемные аналоги. Одной из основных опасностей, связанных с CNT и CNF, является повреждение органов дыхания, такое как воспаление легких, гранулема и фиброз. Однако важно отметить, что эти результаты наблюдались на мышах, и в настоящее время неизвестно, будут ли такие же эффекты наблюдаться у людей. Тем не менее, эти исследования дали повод для попытки минимизировать воздействие этих наночастиц . [13]

Отдельное исследование, проведенное перед ежегодным собранием Общества токсикологии в 2013 году, было направлено на выявление потенциальных канцерогенных эффектов, связанных с многостенными углеродными нанотрубками (MWCNT). Результаты показали, что в присутствии химического вещества-инициатора МУНТ вызывали гораздо большую частоту возникновения опухолей у мышей. Однако не было никаких указаний на увеличение присутствия опухолей в отсутствие химического вещества-инициатора. Для этого сценария необходимы дальнейшие исследования. [13]

Одним из основных препятствий в выявлении опасностей, связанных с УНВ, является разнообразие существующих волокон. Некоторые из факторов, способствующих этому разнообразию, включают форму, размер и химический состав. В одном стандарте воздействия (2015 г.) указано, что допустимый предел воздействия CNT и CNF составляет 1 мкг/м. 3 вдыхаемой фракции элементарного углерода (8-часовое средневзвешенное значение по времени). Этот стандарт был основан на информации, собранной с 14 объектов, образцы которых были проанализированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). [14]

В недавнем паспорте безопасности (SDS) CNF (пересмотренном в 2016 году) нановолокна указаны как раздражители глаз и что они обладают токсичностью для органов дыхательной системы при однократном воздействии. УНВ меньшего размера обладают большей способностью образовывать облака пыли при обращении с ними. Таким образом, при обращении с CNF необходимо проявлять большую осторожность. Рекомендуемые средства индивидуальной защиты (СИЗ) для работы с ХНВ включают нитриловые перчатки, противопылевые респираторы и одежду, непроницаемую для наноматериалов (в зависимости от условий на рабочем месте). Помимо контроля воздействия при работе с УНВ, для минимизации риска, связанного с УНВ, важны также безопасные условия хранения. Безопасное хранение УНВ предполагает хранение волокон вдали от окислителей и открытого огня. В условиях пожара УНВ образуют опасные продукты разложения, хотя точная природа этих продуктов разложения в настоящее время неизвестна. Помимо канцерогенности и токсичности для органов, токсикологические данные по ХНВ в настоящее время весьма ограничены. [15]

Приложения

[ редактировать ]
  • Исследователи используют нановолокна для доставки терапевтических лекарств. Они разработали эластичный материал, в который встроены иглы, подобные углеродным нановолокнам. Материал предназначен для использования в качестве баллонов, которые вставляются рядом с больной тканью, а затем надуваются. Когда баллон надувается углеродом, нановолокна проникают в больные клетки и доставляют терапевтические лекарства. Исследователи из Массачусетского технологического института использовали углеродные нановолокна для изготовления электродов литий-ионных аккумуляторов, емкость которых в четыре раза превышает емкость нынешних литий-ионных батарей . Исследователи используют нановолокна для создания датчиков, которые меняют цвет при поглощении химических паров. Они планируют использовать эти датчики, чтобы показывать, 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 перезаряжаемых литий-ионных батарей . [17]
  • Дальнейшее развитие рынка будет зависеть от наличия материалов по разумным ценам. Мы достигли объемов массового производства углеродных нановолокон высокой чистоты (УНВ) по низкой цене с помощью процесса каталитического химического осаждения из паровой фазы (CCVD). [4]
  • В отличие от каталитического синтеза, электропрядение полиакрилонитрила (ПАН) с последующей стабилизацией и карбонизацией стало простым и удобным способом изготовления непрерывных углеродных нановолокон. [18]
  • полевой электронной эмиссии Источники
    • Полевая электронная эмиссия (также известная как полевая эмиссия (FE) и полевая эмиссия электронов) — это эмиссия электронов, индуцированная электростатическим полем. Наиболее распространенным контекстом является автоэлектронная эмиссия с твердой поверхности в вакуум. Однако автоэмиссия может происходить с твердых или жидких поверхностей, в вакуум, воздух, жидкость или любой непроводящий или слабопроводящий диэлектрик. Индуцированное полем продвижение электронов из валентной зоны проводимости полупроводников (эффект Зинера) также можно рассматривать как форму автоэмиссии. [19]
  • Композитные материалы
  • сканирующей зондовой микроскопии Советы по
  • Материал-носитель для различных катализаторов в нефтехимии
  • В вертикально выровненных массивах — платформа для доставки генов . (См. 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, предназначенный для внутриклеточной доставки, прикреплена к поверхности наноструктуры. Затем чип с массивами этих игл прижимается к клеткам или тканям. Клетки, пронзенные наноструктурами, могут экспрессировать доставленный ген(ы). [21]
  • Для электродных материалов [22]
  • Ликвидация разливов нефти
    • Ликвидация разливов нефти. Процесс производства углерод-углеродного композиционного материала включает этапы обработки углеродистого материала-носителя металлосодержащим каталитическим материалом. Металл способен образовывать наноразмерные углеродные структуры и выращивать наноразмерные углеродные структуры посредством метода химического осаждения из паровой фазы на обработанный носитель 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 в отношении использования композита для очистки воды. Композиты на основе технического углерода особенно полезны в качестве наполнителей. [23]

История

[ редактировать ]

Одной из первых технических записей, касающихся углеродных нановолокон, вероятно, является патент Хьюза и Чемберса на синтез нитевидного углерода, датированный 1889 годом. [24] Они использовали газообразную смесь метана и водорода и выращивали углеродные нити посредством газового пиролиза и последующего осаждения углерода и роста нитей. Однако истинное понимание этих волокон пришло гораздо позже, когда их структуру удалось проанализировать с помощью электронной микроскопии . [2] Первые наблюдения углеродных нановолокон с помощью электронной микроскопии были выполнены в начале 1950-х годов советскими учеными Радушкевичем и Лукьяновичем, которые опубликовали в «Советском журнале физической химии» статью, показывающую полые графитовые углеродные волокна диаметром 50 нанометров. [25] В начале 1970-х годов японские исследователи Моринобу Эндо , ныне директор Института углеродных наук и технологий Университета Синсю , сообщили об открытии углеродных нановолокон, в том числе о том, что некоторые из них имели форму полых трубок. [26] Ему также удалось изготовить ВГКФ диаметром 1 мкм и длиной более 1 мм. [27] Позже, в начале 1980-х годов, 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 перспективных применений, возглавил Р. Терри К. Бейкер. [ нужна ссылка ] Они были мотивированы необходимостью ингибировать рост углеродных нановолокон из-за постоянных проблем, вызванных накоплением материала в различных коммерческих процессах, особенно в конкретной области переработки нефти. В 1991 году японские исследователи Сумио Иидзима , работая в NEC , синтезировали полые молекулы углерода и определили их кристаллическую структуру. В следующем году эти молекулы были названы « углеродными нанотрубками ». впервые [29] VGCNF производится практически по тому же производственному процессу, что и VGCF, только диаметр обычно меньше 200 нм. Несколько компаний по всему миру активно участвуют в коммерческом производстве углеродных нановолокон, и для этих материалов интенсивно разрабатываются новые технические применения, последним из которых является пористый композит, содержащий углеродные нановолокна, для ликвидации разливов нефти. [30]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
  1. ^ Усиление, Либерата; Раймондо, Мариалуйджия; Виктория, Виктория; 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» (PDF) . Нанотехнологии . 24 (30): 305704. Бибкод : 2013Nanot..24D5704G . дои : 10.1088/0957-4484/24/30/305704 . ПМИД   23843601 .
  2. ^ Перейти обратно: а б с Морган, П. (2005) Углеродные волокна и их композиты , Taylor & Francisco Group, CRC Press, Бока-Ратон, Флорида. [ нужна страница ]
  3. ^ Тиббетс, Дж; Озеро, М; Стронг, К; Райс, Б. (2007). «Обзор изготовления и свойств композитов углеродного нановолокна и полимера, выращенных из паровой фазы». Композитные науки и технологии . 67 (7–8): 1709–18. doi : 10.1016/j.compscitech.2006.06.015 .
  4. ^ Перейти обратно: а б Хаммель, Э; Тан, X; Трамперт, М; Шмитт, Т; Маутнер, К; Эдер, А; Пётшке, П (2004). «Углеродные нановолокна для композитных материалов». Карбон . 42 (5–6): 1153–8. doi : 10.1016/j.carbon.2003.12.043 .
  5. ^ Перейти обратно: а б Берчелл, Т.Д. (1999) Углеродные материалы для передовых технологий , Пергамон (Elsevier Science Ltd.), Оксфорд, Великобритания. [ нужна страница ]
  6. ^ Перейти обратно: а б Тиббетс, Гэри Дж. (1985). «Длина углеродных волокон, выращенных из частиц железного катализатора в природном газе». Журнал роста кристаллов . 73 (3): 431–8. Бибкод : 1985JCrGr..73..431T . дои : 10.1016/0022-0248(85)90005-3 .
  7. ^ Кояма, Т. и Эндо, М.Т. (1983) «Способ производства углеродных волокон с помощью парофазного процесса», патент Японии 1982-58, 966.
  8. ^ Хатано, М.; Осаки, Т.; Аракава, К. (1985). «Графитовые усы нового процесса и их композиты» . Наука о современных материалах и процессах, Национальный симпозиум SAMPE, 30 : 1467–76.
  9. ^ Бейкер, Р. (1972). «Зародышеобразование и рост углеродных отложений в результате катализируемого никелем разложения ацетилена». Журнал катализа . 26 : 51–62. дои : 10.1016/0021-9517(72)90032-2 .
  10. ^ Де Йонг, Крейн 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 . S2CID   97230458 .
  11. ^ Дадвар, Саид; Таванаи, Хосейн; Моршед, Мохаммед (2012). «Влияние внедрения наночастиц MgO и Al 2 O 3 в предшественник на характеристики пор нановолокон активированного углерода на основе ПАН». Журнал аналитического и прикладного пиролиза . 98 : 98–105. дои : 10.1016/j.jaap.2012.08.001 .
  12. ^ Линь, Сяоян, Вэй; Лю, Пэн; Вэй, Ян, Гуанчжи; Цуй, Цзе (14 февраля 2017 г.). Углеродные нановолокна из углеродных нанотрубок». ACS Nano . 11 (2): 1257–1263. doi : 10.1021/acsnano.6b04855 . ISSN   1936-0851 . PMID   28165709 .
  13. ^ Перейти обратно: а б Профессиональное воздействие углеродных нанотрубок и нановолокон . Текущий аналитический бюллетень 65. Национальный институт безопасности и гигиены труда . 2013. doi : 10.26616/NIOSHPUB2013145 . [ нужна страница ]
  14. ^ Дам, Мэтью М; Шубауэр-Бериган, Мэри К; Эванс, Дуглас Э; Берч, М. Эйлин; Фернбак, Джозеф Э; Дедденс, Джеймс А. (2015). «Оценка воздействия углеродных нанотрубок и нановолокон: анализ 14 посещений объекта» . Анналы гигиены труда . 59 (6): 705–23. дои : 10.1093/annhyg/mev020 . ПМК   4507369 . ПМИД   25851309 .
  15. ^ http://www.pyrografproducts.com/Merchant5/pdf/SDS_v9_PS.pdf . [ нужна 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 аккумуляторов». Нанотехнологии . 20 (15): 155705. Бибкод : 2009Nanot..20o5705J . дои : 10.1088/0957-4484/20/15/155705 . ПМИД   19420557 . S2CID   29314434 .
  18. ^ Ивасаки, Томохиро; Макино, Юрий; Фукукава, Макото; Накамура, Хидэя; Ватано, Сатору (2016). «Низкотемпературный рост легированных азотом углеродных нановолокон методом ацетонитрилового каталитического CVD с использованием катализаторов на основе Ni» . Прикладная нанонаука . 6 (8): 1211–8. Бибкод : 2016ApNan... 6.1211I дои : 10.1007/s13204-016-0535-x .
  19. ^ Фаулер, Р.Х; Нордхейм, Л. (1928). «Эмиссия электронов в интенсивных электрических полях» . Труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 119 (781): 173–81. Бибкод : 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 . S2CID   20484280 .
  21. ^ Макнайт, Тимоти Э; Мелечко Анатолий В; Хенсли, Дейл К.; Манн, Дэвид Дж.Дж.; Гриффин, Гай Д; Симпсон, Майкл Л. (2004). «Отслеживание экспрессии генов после доставки ДНК с использованием пространственно индексированных массивов нановолокон». Нано-буквы . 4 (7): 1213–9. Бибкод : 2004NanoL...4.1213M . дои : 10.1021/nl049504b .
  22. ^ Рассаи, Лиза; Силланпяя, Мика; Бонне, Майкл Дж; Маркен, Фрэнк (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. [ нужна полная цитата ]
  24. ^ Хьюз, ТВ и Чемберс, CR (1889) «Производство углеродных нитей», патент США 405 480 .
  25. ^ Радушкевич, Л. В. (1952). "О Структуре Углерода, Образующегося При Термическом Разложении Окиси Углерода На Железном Контакте" [About the Structure of Carbon Formed by the Thermal Decomposition of Carbon Oxide on the Iron Contact] (PDF) . Журнал Физической Химии (in Russian). 26 : 88–95. Archived from the original (PDF) on 2016-03-05 . Retrieved 2017-02-16 .
  26. ^ Оберлин, А; Эндо, М; Кояма, Т. (1976). «Нитевидный рост углерода за счет разложения бензола». Журнал роста кристаллов . 32 (3): 335–49. Бибкод : 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 паровой фазы». Ойо Бутури . 42 (7): 690–6. дои : 10.11470/oubutsu1932.42.690 .
  28. ^ Бениссад, Фарида; Гадель, Патрис; Кулон, Мишель; Бонтен, Люсьен (1988). «Образование углеродных волокон из метана: I Каталитический рост и пиролитическое утолщение». Углерод (на французском языке). 26 (1): 61–9. дои : 10.1016/0008-6223(88)90010-3 .
  29. ^ Иидзима, Сумио (1991). «Спиральные микротрубочки графитового углерода». Природа . 354 (6348): 56–8. Бибкод : 1991Natur.354...56I . дои : 10.1038/354056a0 . S2CID   4302490 .
  30. ^ Шлогль, Роберт и др. «Композит из активированного наноуглеродом углерода» 20 090 220 767. (2009) Патент США
Викискладе есть медиафайлы по теме углеродных нановолокон .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Carbon_nanofiber&oldid=1232767298"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 7affe26ee62877a5706cc35476e505f5__1720177200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/7a/f5/7affe26ee62877a5706cc35476e505f5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Carbon nanofiber - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)