Grote vlokken grafeenoxide zijn het essentiële ingrediënt in een nieuw recept voor robuuste koolstofvezel, gemaakt aan de Rice University.

De vezel die bij Rice wordt gesponnen, is uniek vanwege de sterkte van de knopen. De meeste vezels breken het meest waarschijnlijk onder spanning bij de knoop, maar Rice's vezel laat zien wat de onderzoekers "100 procent knoopefficiëntie, " waar de vezel net zo waarschijnlijk overal langs zijn lengte zal breken als bij de knoop.

Het nieuwe werk van het Rice lab van scheikundige James Tour verschijnt vandaag online in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Het materiaal kan worden gebruikt om de sterkte van veel producten die koolstofvezel gebruiken te vergroten, zoals composieten voor sterk, lichte vliegtuigen of stoffen voor kogelvrije kleding, volgens de onderzoekers.

"Om dit te zien is heel vreemd, " zei Tour. "De knoop is net zo sterk als elk ander deel van de vezel. Dat gebeurt nooit in een koolstofvezel of polymeervezels."

De eer gaat naar de unieke eigenschappen van grafeenoxidevlokken die zijn gemaakt in een milieuvriendelijk proces dat een paar jaar geleden door Rice is gepatenteerd. De vlokken die chemisch worden gewonnen uit grafiet lijken klein. Ze hebben een gemiddelde diameter van 22 micron, een kwart van de breedte van een gemiddeld mensenhaar. Maar ze zijn enorm in vergelijking met het op aardolie gebaseerde pek dat in de huidige koolstofvezel wordt gebruikt. "De pekdeeltjes zijn twee nanometer groot, waardoor onze vlokken ongeveer tienduizend keer groter zijn, " zei Rice afgestudeerde student Changsheng Xiang, hoofdauteur van het nieuwe artikel.

Zoals met toonhoogte, de zwakke van der Waalskracht houdt de grafeenvlokken bij elkaar. In tegenstelling tot toonhoogte, de atoomdikke vlokken hebben een enorm oppervlak en kleven aan elkaar als de schubben van een vis wanneer ze in een vezel worden getrokken. Het natspinproces is vergelijkbaar met het proces dat recentelijk is gebruikt om sterk geleidende vezels van nanobuisjes te maken. maar in dit geval gebruikte Xiang alleen water als oplosmiddel in plaats van een superzuur.

Buigbaarheid bij de knoop is te wijten aan de buigmodulus van de vezel, wat een maatstaf is voor zijn flexibiliteit, zei Xiang. "Omdat grafeenoxide een zeer lage buigmodulus heeft, het denkt dat er geen knoop is, " hij zei.

Tour zei dat industriële koolstofvezels - een bron van staalachtige sterkte in ultralichte materialen, variërend van honkbalknuppels tot fietsen tot bommenwerpers - de afgelopen decennia niet veel zijn verbeterd omdat de betrokken chemie zijn grenzen nadert. Maar de nieuwe koolstofvezels die bij kamertemperatuur bij Rice zijn gesponnen, vertonen al een indrukwekkende treksterkte en modulus en hebben het potentieel om nog sterker te zijn wanneer ze bij hogere temperaturen worden uitgegloeid.

Verwarm de vezels tot ongeveer 2, 100 graden Celsius, de industriestandaard voor het maken van koolstofvezel, zal waarschijnlijk de knoopkracht elimineren, Xiang zei, maar zou de treksterkte van het materiaal aanzienlijk moeten verbeteren, wat goed zal zijn voor het maken van nieuwe composietmaterialen.

De Rice-onderzoekers creëerden ook een tweede type vezel met behulp van kleinere 9-micronvlokken grafeenoxide. De kleine vlokvezels, in tegenstelling tot de grote, werden onder spanning uit het natspinproces getrokken, die de vlokken nog beter op één lijn bracht en resulteerde in vezels met een sterkte die die van commerciële producten benaderde, zelfs bij kamertemperatuur.