تولید ماکرو لیف نانو لوله های کربن با استفاده از روش انباشت بخار شیمیایی با کاتالیزور معلق و بررسی عوامل تولید بر روی ساختار و خواص مکانیکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Direct fabrication of macroscopic carbon nanotube (CNT) fibre via floating catalyst chemical vapour deposition (FC - CVD) technique is the best methods for the mass production. In the FC - CVD technique, a mixture of toluene, ferrocene, thiophene, and hydrogen are injected into the reactor. Upon synthesis of CNTs in a high enough concentration, an aerogel made of CNT intertwined is continuously formed in the furnace, thereafter being wound onto the rotating spindle to collect as the fibre. The surface contact b etween CNT bundles and packing density are the main factors that affect the final properties of the products. The main challenge to successfully fabricate the CNT fibre is to know how process condition affects the structure of the CNT - aerogel products. The process condition - structure - properties relationship was the research core in this thesis. The effect of injection rate, winding rate, and epoxy infiltration on the structure and mechanical properties of the CNTfibre was investigated. To study the effect o f injection rate, three different injection rates of 2 g/h, 3 g/h, and 4 g/h were first selected for toluene and the rate of the other precursors were optimized in order to minimize the aerogel impurities. The results showed that CNT% in the aerogel reduce d from 77.1% to71.8% and I G /I D in Raman spectra decreased from 3.71 to 1.42 with increasing injection rate from the recipe (1) to (3). Moreover, the fiber density reduced from 0.71 to 0.31 g/cm 3 and pore dimension increased from 2.1 to 4.6 nm. The results suggest that with increasing precursors injection rate the defect in CNT structure, the amount of impurities in the fiber, and the fiber’s porosity increase. The fiber spun from the lowest injection rate (recipe 1) showed the highest mechanical properties with strength of 0.63 N/tex and elastic modulus of 27.3 N/tex that means an increase of about 203% and 216% respectively compare to the fiber spun from the recipe (3). Next, three fibers with different winding rates of 6m/min, 16m/min, and 30 m/min were sp un from the recipe (1). Results show that I G0° /I G90° increased from 2.55 to 5.68 and density increased from 0.53 to 0.91 g/cm 3 with increasing the winding rate from 6 to 30 m/min. Subsequently, the elastic modulus and strength improved from 15.5 to 35.7 N/ tex and from 0.44 to 0.81 N/tex respectively. Moreover, the decay in the relaxation modulus after 1200 s reduced from 21% to 14% for the fibers spun from 6 and 30 m/min winding rate respectively. CNT bundles slippage due to weak Vander Waals forces is the main source of the viscose force in the fibers. At the better alignment and compaction, stronger CNT - CNT interfaces are formed, resulting in better inter - tube load transfer efficiency, more difficult CNT bundles slippage, and higher mechanical behavior. Am ong different viscoelastic models used to fit the relaxation behavior of the CNT fibers, fractional order viscoelastic model was found to provide the highest accuracy at the entire tested time scale. Finally, epoxy infiltration was used to improve the mech anical properties of the CNT fiber. The results showed that at the best process condition, strength and elastic modulus improves to 1.82 N/tex and 86.3 N/tex respectively corresponding to an enhancement of 288% and 316% respectively. These results provides a general strategy for the post - processing optimization of the directly spun CNT fibers.

امروزهتولید الیاف نانولوله‌های کربن بوسیله انباشت بخار شیمیایی با کاتالیزور معلق ، بهدلیل سرعت تولید بالا و یک مرحله‌ای بودن، به عنوان مناسب ترین روش شناخته می‌شود. در اینروش مواد اولیه شامل یک منبع کربن (تولوئن) به همراه کاتالیزور (فروسین)، تیوفین وگاز هیدروژن به کوره راکتور تزریق می‌گردد و در پی واکنش‌های انجام شده نانولوله‌هایکربن سنتز شده و با چسبیدن به یکدیگر شبکه‌ای از نانولوله‌های بهم پیوسته (ائروژل)ایجاد می‌شود. با تحت کشش قرار دادن این ائروژل در حین تولید، می‌توان این ائروژلرا بصورت لیف متخلخلجمع‌آوری نمود. سطح تماس بین دسته‌های نانولوله‌هاو فشردگی ساختار از مهمترین عوامل تاثیرگذار در خواص نهایی این الیاف می‌باشند. مهمترینچالش در زمینه تولید این الیاف، درک درست از چگونگی تاثیرگذاری عوامل تولید برروی غلظت نانولوله‌های سنتز شده و ساختار ائروژل و لیف تولیدشده است. ارتباط بین عوامل ریسندگی-ساختار-خواص در این رساله مورد مطالعهقرارگرفته است. بررسی تاثیر دو عامل مهم تولید اعم از نرخ تزریق مواد اولیه و سرعتبرداشت برروی ساختار و خواص لیف و همچنین تاثیر نفوذ رزین اپوکسی به داخل ساختارلیف به منظور بهبود برهمکنش بین دسته‌های نانولوله مهمترین هسته تحقیق در اینرساله است. برای بررسی تاثیر نرخ تزریق، سهنرخ تزریق تولوئن به میزان g/h 2، g/3 و g/h 4 برای تولید الیاف استفاده گردید و برای هریک ، دستورالعمل بهینه ریسندگی که منجر به تولید لیف با کمترین میزان ناخالصی می‌گرددبدین صورت بدست آمد: نسخه(1): تولوئن= g/h2 فروسین(کاتالیزور)= ml/min20 تیوفین= ml/min10 هیدروژن= ml/min1250 - نسخه(2): تولوئن= g/h3 فروسین= ml/min30 تیوفین= ml/min20 هیدروژن= ml/min1500 - نسخه(3): تولوئن= g/h4 فروسین= ml/min40 تیوفین= ml/min30 هیدروژن= ml/min1750. از مهمترین دستاوردهای این پژوهش،نتایج تحلیل حرارتی و طیف سنجی رامان است که نشان دادند با افزایش نرخ تزریق ازدستورالعمل (1) به (2) و به (3) درصد نانولوله تولید شده در الیاف به ترتیب از%1/77 به %1/75 و به %8/71 و نسبت I G /I D (میزان عیوب در ساختار/میزان گرافیته بودنساختار) در طیف رامان به ترتیب از 71/3 به 64/2 و به 42/1 کاهش یافته‌اند. چگالیالیاف نیز از g/cm 3 71/0 به g/cm 3 45/0 و به g/cm 3 31/0 کاهش و ابعاد تخلخل در الیاف از nm 1/2 به nm 9/2 و به nm 6/4 افزایشیافته‌اند. مجموع این نتایج نشان می‌دهد که افزایش نرخ تزریق منجر به افزایشناخالصی، افزایش نقص ساختاری در نانولوله‌ها، افزایش میزان و ابعاد تخلخل درالیافتولید شده می‌گردد که در نهایت باعث کاهش خواص مکانیکی الیاف می‌شود. بطوریکه باافزایش نرخ تزریق، استحکام به ترتیب از N/tex 63/0 به N/tex 47/0 و به N/tex 31/0 و مدول الاستیک از N/tex 3/27 به N/tex 8/19 و به N/tex 6/12 کاهشیافته‌اند. در گام بعد، از نسخه(1) ریسندگی سه لیف با سرعت برداشت m/min 6 و m/min 16 و m/min 30 تهیه گردید. بررسی چگالی و آرایش یافتگیالیاف با استفاده از نسبت I G0° /I G90° در طیف رامان الیاف نشان داد که با افزایش سرعت برداشت چگالی بهترتیب از g/cm 3 53/0 به g/cm 3 71/0 و به g/cm 3 9/0 و نسبت I G0° /I G90° به ترتیب از 55/2 به 94/3 و به 68/5 افزایشیافته است. که دراثر این امر، استحکام به ترتیب از N/tex 44/0 به N/tex 63/0 و به N/tex 81/0 و مدولالاستیک از N/tex 5/15 به N/tex 3/27 و به N/tex 7/35 افزایش یافته‌اند. همچنین نتیجه آزمایش افت تنش در الیافنشان داد که میزان افت مدول بعد از گذشت s 1200 ترتیب از %21 به %16 و به %14 کاهش یافته است. لغزشآسان دسته‌های نانولوله برروی یکدیگر به دلیل برهمکنش ضعیف واندروالس منشأ نیرویویسکوز و افت تنش در این الیاف است. افزایش آرایش یافتگی و چگالی باعث افزایش سطحتماس و برهمکنش بین دسته‌های نانولوله شده و لغزش آنها را سخت‌تر می‌کند که درنهایت افزایش خواص مکانیکی را در پی دارد. از مدل‌های کلاسیک و جزئی ویسکوالاستیکبرای تعیین متغیرهای ویسکوالاستیک الیاف استفاده گردید. نتایج روشن نمود که بهدلیل ساختار متخلخل و سلسله مراتبی، مدل جزئی جامد خطی استاندارد بهترین مدل برایبررسی افت تنش و تعیین متغیرهای ویسکوالاستیک در این الیاف می‌باشد. نفوذ زنجیرهایاپوکسی به داخل ساختار لیف برای افزایش برهمکنش بین دسته‌های نانولوله‌ مورد بررسیقرار گرفت. این امر باعث افزایش استحکام از N/tex 63/0 به N/tex 82/1 و مدول الاستیک از N/tex 3/27 به N/tex 3/86 می‌شود.