Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
Tecnología de imágenes infrarrojas (IR) en el Sincrotrón de Australia, desarrollado específicamente para el análisis de fibra de carbono, ha contribuido a una mejor comprensión de los cambios químicos que afectan la estructura en la producción de fibras de carbono de alto rendimiento utilizando un material precursor.
Una colaboración de investigación dirigida por Carbon Nexus, una instalación de investigación global de fibra de carbono en la Universidad de Deakin, Swinburne University of Technology y miembros del equipo de microspectroscopia infrarroja del Sincrotrón de Australia, acaba de publicar un artículo en el Revista de Química de Materiales A que identificó y ayudó a explicar importantes cambios estructurales que ocurren durante la producción de fibras de carbono.
La investigación se llevó a cabo para dilucidar la transformación química exacta que ocurre durante el tratamiento térmico del poliacrilonitrilo (PAN), que produjo cambios estructurales.
La mayoría de las fibras de carbono comerciales se fabrican a partir de PAN, pero se ha producido una imperfección durante la producción que afectó las propiedades del material.
Debido a que la conversión de PAN a fibra de carbono no se produjo de manera uniforme en toda la fibra, resultó en una estructura de núcleo de piel.
Los fabricantes quieren prevenir la formación de la estructura del núcleo de la piel para mejorar la resistencia de las fibras.
La investigación dirigida por el Dr. Nishar Hameed proporciona la primera definición cuantitativa sobre el desarrollo de la estructura química a lo largo de la dirección radial de las fibras PAN utilizando imágenes IR de alta resolución.
Distribución química de los grupos funcionales de nitrilo (C≡N) y C =N a) 0-min b) 12-min yc) fibras de PAN tratadas durante 24 min (con gráficos de contorno en 3D de los grupos funcionales correspondientes que se muestran en el lado derecho) . Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
"Aunque ha pasado más de medio siglo desde que se desarrollaron las fibras de carbono, las transformaciones químicas exactas y el desarrollo real de la estructura durante el tratamiento térmico aún se desconocen ".
"El resultado científico más significativo de este estudio es que se descubrió que las reacciones químicas críticas para el desarrollo de la estructura ocurren a un ritmo más rápido en el núcleo de la fibra durante el calentamiento, interrumpiendo así la creencia de más de 50 años de que esta reacción se produce en la periferia de la fibra debido al calor directo ".
Una multitud de técnicas experimentales, incluida la espectroscopia IR, confirmaron que las diferencias estructurales evolucionaron a lo largo de la dirección radial de las fibras, que produjo la imperfección.
La diferencia entre piel y núcleo en fibras estabilizadas evolucionó a partir de diferencias en el mecanismo de reticulación de las cadenas moleculares desde la piel hasta el núcleo.
La información podría ayudar a los fabricantes a mejorar el proceso de producción y conducir a mejores fibras.
"Utilizando una técnica llamada Reflexión total atenuada (ATR) para enfocar el haz de sincrotrón, la línea de luz infrarroja permitió al equipo de investigación adquirir imágenes a través de fibras individuales, para ver dónde los triples enlaces carbono-carbono en el PAN se estaban convirtiendo en dobles enlaces, "dijo el Dr. Mark Tobin, Científico Principal, IR, en el Sincrotrón de Australia, quien es coautor con el Dr. Pimm Vongsvivut y el Dr. Keith Bambery.
Carbon Nexus opera la línea piloto de fibra de carbono más personalizada del mundo. Crédito:Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear (ANSTO)
"Se han realizado estudios de IR anteriores en haces de fibras y fibras en polvo, mientras pudimos analizar la sección transversal de filamentos individuales ".
Para adquirir imágenes detalladas de las fibras, que tienen solo 12 micrones de ancho, el equipo de infrarrojos modificó la línea de luz para el experimento utilizando un cristal de germanio muy pulido para enfocar el haz de infrarrojos en las fibras.
Los mapas basados en sincrotrón de alta resolución confirmaron que la concentración de nitrilo (C≡N) era mayor en las áreas donde los grupos funcionales C =N eran menores.
"El nitrilo (C≡N) es reemplazado por C =N a medida que el PAN pasa por el proceso de conversión a fibra de carbono. Esto ocurre más rápido en el medio de las fibras, por eso, a mitad del proceso, ve un "anillo" de C≡N. El C =N es un pico en el medio, "explicó Tobin.
Características químicas de 'copa y cono' capturadas por imágenes IR, También confirmó que un alto grado de reacción para formar estructuras cíclicas ocurrió en el núcleo en comparación con la piel.
Otras técnicas experimentales, que se llevaron a cabo en Carbon Nexus y Factory of the Future en Swinburne University of Technology, microscopía óptica incluida, Microspectroscopia Raman, nanoindentación, análisis térmico y ensayos de tracción.
