グラフェン強化炭素繊維：より強靭でコスト効率の良い複合材への新たな道

グラフェン評議会の発表によると、オークリッジ国立研究所（ORNL、米国テネシー州オークリッジ）、バージニア大学（UVA、米国バージニア州シャーロッツビル）、ペンシルベニア州立大学（ペンシルベニア州ユニバーシティパーク）の研究者たちが、2020年4月号の『Science Advances』に研究成果を発表しました。プリスタイングラフェンをポリアクリロニトリル（PAN）溶液への添加剤として使用し、カーボンナノチューブ（CNT）とグラフェン酸化物（GO）液体を用いた先行研究に基づいて、炭素繊維前駆体繊維への応用を評価しています。

著者らは、CNT添加がPAN紡糸ドープと凝固パラメータを最適化するだけでなく、ポリマー鎖の配向と配列のテンプレート、およびポリマー結晶化の核生成剤の両方として機能することを説明しています。チャエらの研究では、1.0wt%カーボンナノチューブ添加で炭素繊維弾性率49%増、強度64%増を報告しています。CNT添加は炭化温度も低下させ、炭素繊維（CF）製造時のエネルギー消費を大幅に削減できることも示されています。

単層二次元炭素同素体であるグラフェンは、CNTを上回る特性を示します：より大きな表面積、優れた電子移動度、より高い引張強度とヤング率。しかし、グラフェン酸化物（GO）液晶を用いた炭素繊維製造の最近の実験では、本来の配向性と結晶性が劣るため、劣った引張強度の繊維が得られました。

プリスタイングラフェンがCNTとGOより優れたPANベース炭素繊維添加剤になると理論づけ、ORNL、UVA、ペンシルベニア州立大学の研究者たちは、せん断剥離プリスタイングラフェン（0.01〜1.0wt%）を少量、PAN/ジメチルスルホキシド（PAN/DMSO）溶液に添加し、PAN紡糸ドープの特性を微調整しました。結果、0.075wt%グラフェン添加のPAN/グラフェンベース炭素繊維は、引張強度1916MPa、ヤング率233GPaを示し、グラフェンなしPAN炭素繊維比で強度225%増、弾性率184%増を達成しました。

さらに、大規模分子動力学シミュレーション結果では、グラフェン添加が有利なエッジケミストリーを導入し、炭素含有量を促進し、ポリマー鎖配向を高め、結晶性を増加させることが示されました。

著者らは、これらの結果がPANベース炭素繊維製造の理解を広げるだけでなく、グラフェンで強化された低コスト代替前駆体繊維の開発基盤を提供し、現在のPANベース製品より優れた性能と低コストを実現する炭素繊維を生み出す可能性があるとしています。

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