Los investigadores han creado un compuesto de espuma de epoxi-grafeno que es resistente y conductor sin agregar peso significativo. Crédito:Rouzbeh Shahsavari Group
Los científicos de la Universidad de Rice han construido un epoxi mejor para aplicaciones electrónicas.
El epoxi combinado con una espuma de grafeno "ultra rígida" inventada en el laboratorio de Rice del químico James Tour es sustancialmente más resistente que el epoxi puro y mucho más conductivo que otros compuestos epoxi al tiempo que conserva la baja densidad del material. Podría mejorar los epóxicos de uso actual que debilitan la estructura del material con la adición de rellenos conductores.
El nuevo material se detalla en la revista American Chemical Society ACS Nano .
Por sí mismo, epoxi es un aislante, y se usa comúnmente en recubrimientos, adhesivos, electrónica, utillajes industriales y compuestos estructurales. Los rellenos de metal o carbón se agregan a menudo para aplicaciones donde se desea conductividad, como blindaje electromagnético.
Pero hay una compensación:más relleno aporta una mejor conductividad a costa del peso y la resistencia a la compresión, y el material compuesto se vuelve más difícil de procesar.
La solución de Rice reemplaza los polvos de metal o carbón con una espuma tridimensional hecha de láminas de grafeno a nanoescala, la forma de carbono de un átomo de espesor.
El laboratorio Tour, en colaboración con los científicos de materiales de Rice Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari y Jun Lou y Yan Zhao de la Universidad de Beihang en Beijing, se inspiraron en proyectos para inyectar epoxi en andamios 3-D, incluidos aerogeles de grafeno, espumas y esqueletos de diversos procesos.
Interpretación de un artista de un andamio de espuma de grafeno, como se creó en Rice, que se puede infundir con epoxi para una fuerte, compuesto ligero y conductor. Crédito:Rouzbeh Shahsavari Group
El nuevo esquema hace andamios mucho más resistentes a partir de poliacrilonitrilo (PAN), una resina polimérica en polvo que utilizan como fuente de carbono, mezclado con polvo de níquel. En el proceso de cuatro pasos, presionan en frío los materiales para hacerlos densos, calentarlos en un horno para convertir el PAN en grafeno, trate químicamente el material resultante para eliminar el níquel y use una aspiradora para introducir el epoxi en el material ahora poroso.
"La espuma de grafeno es una sola pieza de grafeno de pocas capas, "Tour dijo." Por lo tanto, en realidad, toda la espuma es una molécula grande. Cuando el epoxi se infiltra en la espuma y luego se endurece, cualquier flexión en el epoxi en un lugar tensionará el monolito en muchos otros lugares debido al andamio de grafeno incrustado. Esto finalmente endurece toda la estructura ".
Los compuestos en forma de disco con 32 por ciento de espuma eran ligeramente más densos, pero tenía una conductividad eléctrica de aproximadamente 14 Siemens (una medida de conductividad, o ohmios inversos) por centímetro, según los investigadores. La espuma no añadió un peso significativo al compuesto, pero le dio siete veces la resistencia a la compresión del epoxi puro.
El fácil enclavamiento entre el grafeno y el epoxi también ayudó a estabilizar la estructura del grafeno. "Cuando el epoxi se infiltra en la espuma de grafeno y luego se endurece, el epoxi se captura en dominios de tamaño micrométrico de la espuma de grafeno, "Dijo Tour.
El laboratorio subió la apuesta al mezclar nanotubos de carbono de paredes múltiples en la espuma de grafeno. Los nanotubos actuaron como barras de refuerzo que se unieron con el grafeno y formaron el compuesto 1, 732 por ciento más rígido que el epoxi puro y casi tres veces más conductor, a aproximadamente 41 Siemens por centímetro, mucho mayor que casi todos los compuestos epoxi basados en andamios informados hasta la fecha, según los investigadores.
Los científicos de Rice lideraron el esfuerzo para desarrollar el material que, cuando se combina con nanotubos de carbono, es más de 1, 700 por ciento más rígido que el epoxi puro. Crédito:Rouzbeh Shahsavari Group
Tour espera que el proceso se adapte a la industria. "Solo se necesita un horno lo suficientemente grande para producir la pieza final, ", dijo." Pero eso se hace todo el tiempo para hacer grandes piezas de metal prensándolas en frío y luego calentándolas ".
Dijo que el material podría reemplazar inicialmente a las resinas compuestas de carbono que se usan para pre-impregnar y reforzar la tela utilizada en materiales desde estructuras aeroespaciales hasta raquetas de tenis.
