نانو فیبر کربنی چیست و چه کاربردهایی دارد؟
نانو فیبر کربنی یا نانو الیاف کربنی ، (به انگلیسی: Carbon nanofibers) به صورت مخفف به آن سی‌ان‌اف (CNFs) گفته می‌شود.
این نانو فیبرها الیاف کربنی رشد یافته با بخار (VGCFs) هستند که با تشکیل نانوساختارهای استوانه‌ای متشکل از لایه‌های گرافن، ساختاری قیف‌مانند، فنجانی و یا صفحه‌ای را تولید می‌کنند.
نانوالیاف کربنی دارای لایه‌های گرافنی که به‌صورت استوانه‌ای پیچیده شده باشند، منجر به تشکیل نانو لوله‌های کربنی میشوند.
تاریخچه نانو فیبر کربنی
اولین گزارش در مورد نانوفیبر کربن که به سال 1889 بر می گردد، سنتز کربن رشته ای توسط Hughes و همکارانش می باشد. آنها از مخلوط گازی متان/هیدروژن استفاده کردند و رشته های کربن را از طریق پیرولیز گاز، رسوب کربن و رشد رشته ایجاد کردند. درک واقعی این فیبر مدتها بعد انجام شد. هنگامی که ساختار آنها توسط میکروسکوپ الکترونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت.
انواع نانو فیبر کربنی
نانو فیبرهای کربنی به صورت های زیر مرتب شده اند:
- مخروط انباشته
- فنجان
- صفحات بدون هسته توخالی اما با سایت های لبه ای بسیار در لبه بیرونی
- VGCFs
و انواع کوچکتر آنها از نظر اندازه، VGCNFs، از جمله فیبرهای کربنی کوتاه می باشند
- VGCFs فیبر کربن رشد یافته از بخار
- VGCNFs نانو فیبر کربن رشد یافته از بخار
خواص عمومی نانو فیبر کربنی
نانو فیبر های کربن رسانایی الکتریکی بالا ، رسانایی گرمایی بالا و خصوصیات شیمیایی مطلوبی دارند. نانو فیبر های کربن از خصوصیات مکانیکی استثنایی برخوردار هستند ، از جمله مدول الاستیک ، که می تواند به 600 GPa برسد ، و مقاومت کششی ، که می تواند به 8.7 GPa برسد.. هسته نانو الیاف توخالی است و توسط یک الیاف استوانه ای شکل گرفته شده از ذره کاتالیزور احاطه شده است. این الیاف از صفحات پایه گرافیت تشکیل شده است که 25 درجه از محور طولی الیاف انباشته شده اند.
ایمنی
گروهی کوچک از جمله مواد متعددی که با قانون ایمنی و بهداشت شغلی ایالات متحده تنظیم میشوند، نانوالیاف کربنی (CNF) است.
مطالعات نشانگر خطرات سلامتی مرتبط با نانو لوله‌های کربنی و نانوالیاف کربنی است.
یکی از خطرات اصلی مرتبط با نانولوله کربنی و نانوالیاف کربنی، آسیب تنفسی مانند التهاب ریوی، گرانولوم و فیبروز است. با توجه به این نکته مهم که این یافته‌ها در موش‌ها مشاهده شده است، در حال حاضر مشخص نیست که آیا همین تأثیرات در انسان نیز مشاهده می‌شود یا خیر. با این وجود این مطالعات سبب شده است تا تلاش‌هایی برای به حداقل رساندن قرار گرفتن در معرض این نانوذرات انجام شود.
مطالعه جداگانه ای که قبل از نشست سالانه انجمن سم شناسی در سال 2013 انجام شد، با هدف شناسایی اثرات بالقوه سرطان زا در ارتباط با نانولوله های کربنی چند جداره (MWCNT) انجام گرفت. یافته‌ها نشان دادند که در حضور ماده شیمیایی آغازگر، MWCNT باعث بروز تومور در موش‌ها می شود. با این حال، هیچ نشانه‌ای از افزایش حضور تومورها در غیاب ماده شیمیایی آغازگر وجود ندارد. مطالعات بیشتری برای این سناریو لازم است.
خاصیت مکانیکی
برخی CNF ها خواص مکانیکی بسیار خوبی را نشان می دهند. از آنها می توان در ورقه های ساختاری تقویت شده با الیاف و کامپوزیت های بافته شده ، فیلترها و داربست ها استفاده کرد. اساساً ، آزمایش مکانیکی الیاف نانو شامل آزمایش تک فیبر و آزمایش مجموعه فیبر است. CNF هایی که در 1400 درجه سانتیگراد کربن شده اند ، بالاترین مقاومت کششی را دارند. از آنجا که افزایش دمای کربن منجر به وجود کریستالیتهای کربن توربوستراتیکی به طور تصادفی می شود ، فیبر سفت می شود ، که می تواند منجر به پارگی فیبر اولیه و کاهش قدرت شود.
کاربرد های نانو فیبر کربنی
اخیراً ، تهیه کامپوزیت های نانوالیاف کربن با پشتیبانی از اکسید فلز از طریق الکتروپینینگ به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. نانوکامپوزیت های کربن در کاربردهای مختلفی مانند تبدیل و ذخیره انرژی ، یونیزاسیون خازنی ،مواد الکترود، کاتالیز ، جذب / جداسازی ، ترمیم نشت روغن و در زمینه پزشکی زیستی مانند انتقال ژن استفاده می شود. ساختار منحصر به فرد این نانوالیاف کربنی متخلخل منجر به عملکرد خوب الکتروشیمیایی مانند ظرفیت برگشت پذیر بالا و ثبات چرخه خوب در هنگام استفاده به عنوان آند برای باتری های لیتیوم یون قابل شارژ می شود.
کاربرد در هوافضا
نانو الیاف کربن (CNF) در کاربردهای بسیار متنوعی از مواد هوافضا به عنوان ماده تقویت کننده یا پرکننده های رسانا استفاده میشوند. آنها برای بهبود خصوصیات مکانیکی ، الکتریکی و حرارتی کامپوزیت های ماتریس پلیمری به صنعت انرژی به عنوان مواد آند برای کاربردها ، استفاده شده و در باتری های لیتیوم یونی برای بهبود خصوصیات ذخیره انرژی و چرخه زندگی میباشد.
قطر نانو فیبرهای کربن
قطر نانوالیافهای کربنی تاثیر زیادی روی کاربردشان دارد. اما کنترل قطر نانوفیبر بسیار زمان‌بر و پر هزینه است . نانوفیبر کربنی نیز مانند نانو لوله های کربنی یکی از گزینه های امیدبخش جهت تقویت انواع مختلف زمینه‌های پلیمری می باشند. قطر این نانو ذرات در حدود 10 تا 500 نانومتر می باشد.
در آخر
نانو الیاف کربن (CNF) یک نانو مواد کربنی است که عمدتا در مواد کامپوزیت پیشرفته برای بهبود مقاومت ، سختی ، دوام ، هدایت الکتریکی یا مقاومت در برابر حرارت استفاده می شود (دارن و همکاران ، 2010). هزینه تولید CNF به طور قابل توجهی کمتر از نانو لوله های کربنی (CNT) است و بنابراین مزایای قابل توجهی نسبت به نانو لوله ها برای کاربردهای خاص ارائه می دهد. و نسبت عملکرد به هزینه بالایی را ارائه می دهد. کاربرد گسترده علم نوین نانو و نانو مواد در نتیجه افزایش دانستنیهای روز و سطح تولید داخلی است. بنابراین ، توجه دقیق به مسائل سم شناسی مربوط به نانوذرات ، از جمله نانو مواد مختلف الیافی ، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است.