Tryckbehandling ökar styrkan hos kolnanokompositer

Kolnanorör består av kolatomer strukturerade i grafenlager ihoprullade till en cylinder. En annan typ av kolmaterial är C60 som består av sextio kolatomer som ligger ordnade i fem- eller sexkantiga figurer ungefär som mönstret i en fotboll. Kolnanomaterial är starkare än stål, leder ström bättre än koppar och är bättre värmeledare än diamant.

Om man blandar kolnanorör eller C60 i plast, dvs. en polymer, får man polymera kolnanokompositer. Kompositerna har bättre egenskaper än den rena plasten men de är långt ifrån egenskaperna hos kolnanomaterialen. Ett problem är att kolnanomaterialet har svårt att binda till andra ämnen.

Genom att använda högt tryck och höga temperaturer kan man bryta upp och skapa nya kemiska bindningar, vilket kan generera kompositer med intressanta mekaniska, termiska och elektriska egenskaper.

Junchun Yu har i sitt arbete utsatt polymerer och polymerkompositer för tryck motsvarande cirka 3 500 bilars vikt på en människa och studerat materialen när temperaturen höjs. Hans resultat är högst intressanta.

– För en blandning av fem viktprocent kolnanorör i polymeren polyisopren gav behandlingen starkare ytbindningar mellan kolnanorören och polymeren, vilket förbättrade materialets mekaniska egenskaper. Draghållfasthet och elasticitetmodul hos kompositen fördubblades, säger Junchun Yu.

För delkristallina polymeren nylon-6 gjorde tillsats av två viktprocent kolnanorör att värmeledningsförmågan ökade cirka 30 procent. En efterföljande tryck- och temperaturbehandling ökade kristalliniteten från 30 till 60 procent samtidigt som värmeledningsförmågan ökade med ytterligare cirka 40 procent.

I försök med den klotformade kolstrukturen C60 infogad i polyisopren (20 viktprocent) ökade draghållfastheten sex gånger jämfört med den rena polymeren vid samma tryck- och temperaturbehandling.
Junchun Yu upptäckte också att tvärbindningar som skapades vid behandlingen var delvis reversibla vid upphettning vid normaltryck.
– Denna effekt kan öppna en möjlighet att återvinna kompositen genom att bryta upp bindningarna, säger han.
Hög elektrisk ledningsförmåga, bra värmeledningsförmåga, god styrka men samtidigt låg densitet är önskvärda egenskaper för till exempel konstruktionsmaterial. Det finns ett stort behov av ett liknande material inom exempelvis flygplansindustrin, bilindustrin, vindkraftturbiner och sportartiklar. I framtiden kan sålunda kolnanokompositer få många användningsområden.
 
Om disputationen:
Torsdagen den 15 december försvarar Junchun Yu, institutionen för fysik, Umeå universitet, sin avhandling med titeln Studies of novel phases and states produced by means of high pressure: polymer and polymer based carbon nanocomposites. Svensk titel: Studier av nya faser och tillstånd som producerats med hjälp av höga tryck: polymerer och polymerbaserade kolnanokompositer.

Disputationen äger rum kl 13:30 i sal N200, Naturvetarhuset den 15/12.

Fakultetsopponent är professor George Floudas, Department of Physics, University of Ioannina, Greece
 
Läs hela eller delar av avhandlingen  
För ytterligare information, kontakta gärna:
Junchun Yu
Telefon: 090-786 65 81
E-post: junchun.yu@physics.umu.se