Los científicos de la Universidad Rice han construido un mejor epoxi para aplicaciones electrónicas.
El epoxi combinado con la espuma de grafeno «ultrastiff» inventada en el laboratorio de Rice del químico James Tour es sustancialmente más resistente que el epoxi puro y mucho más conductor que otros compuestos de epoxi al tiempo que retiene la baja densidad del material. Podría mejorar los epoxis en uso actual que debilitan la estructura del material con la adición de rellenos conductores.
El nuevo material se detalla en la revista ACS Nano de la American Chemical Society .
Por sí mismo, el epoxi es un aislante, y se usa comúnmente en recubrimientos, adhesivos, electrónica, herramientas industriales y compuestos estructurales. Los rellenos de metal o carbono a menudo se agregan para aplicaciones donde se desea conductividad, como el blindaje electromagnético.
Pero hay un compromiso: más relleno proporciona una mejor conductividad al costo del peso y la resistencia a la compresión, y el compuesto se vuelve más difícil de procesar.
La solución de arroz reemplaza los polvos de metal o carbono con una espuma tridimensional hecha de láminas de grafeno a nanoescala, la forma de carbono de espesor atómico.
El laboratorio de Tour, en colaboración con los científicos de materiales de arroz Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari y Jun Lou y Yan Zhao de la Universidad de Beihang en Beijing, se inspiraron en los proyectos para inyectar epoxi en soportes tridimensionales que incluyen aerogeles de grafeno, espumas y esqueletos de diversos procesos. .
El nuevo esquema fabrica andamios mucho más fuertes a partir de poliacrilonitrilo (PAN), una resina polimérica en polvo que utilizan como fuente de carbono, mezclada con polvo de níquel. En el proceso de cuatro pasos, presionan en frío los materiales para hacerlos densos, los calientan en un horno para convertir el PAN en grafeno, tratan químicamente el material resultante para eliminar el níquel y utilizan un vacío para tirar del epoxi al ahora -poroso material.
«La espuma de grafeno es una pieza única de grafeno de pocas capas», dijo Tour. «Por lo tanto, en realidad, toda la espuma es una molécula grande. Cuando el epoxi se infiltra en la espuma y luego se endurece, cualquier flexión en el epoxi en un lugar estresará al monolito en muchas otras ubicaciones debido a los andamios de grafeno incrustados. Toda la estructura«.
Los compuestos en forma de disco con un 32 por ciento de espuma eran ligeramente más densos, pero tenían una conductividad eléctrica de aproximadamente 14 Siemens (una medida de conductividad, o ohms inversos) por centímetro, según los investigadores. La espuma no agregó un peso significativo al compuesto, pero le dio siete veces la resistencia a la compresión del epoxi puro.
El fácil interbloqueo entre el grafeno y el epoxi también ayudó a estabilizar la estructura del grafeno. «Cuando el epoxi se infiltra en la espuma de grafeno y luego se endurece, el epoxi se captura en dominios de tamaño micrométrico de la espuma de grafeno», dijo Tour.
El laboratorio aumentó la apuesta al mezclar nanotubos de carbono de paredes múltiples en la espuma de grafeno. Los nanotubos actuaron como barras de refuerzo que se unieron con el grafeno y volvieron el compuesto un 1,732 por ciento más rígido que el epoxi puro y casi tres veces más conductor, a aproximadamente 41 Siemens por centímetro, mucho mayor que casi todos los materiales compuestos de epoxi basados en andamios informados hasta la fecha Según los investigadores.
Tour espera que el proceso se amplíe para la industria. «Uno solo necesita un horno lo suficientemente grande como para producir la parte final», dijo. «Pero eso se hace todo el tiempo para fabricar piezas metálicas grandes presionando en frío y calentándolas».
Dijo que el material podría reemplazar inicialmente las resinas de carbono compuesto usadas para preimpregnar y reforzar el tejido utilizado en materiales desde estructuras aeroespaciales a raquetas de tenis.
Más información: Xiao Han et al. Espumas de grafeno ultra rígidas como rellenos conductores tridimensionales para resina epoxi, ACS Nano (2018). DOI: 10.1021 / acsnano.8b05822
Referencia del diario: ACS Nano
Proporcionado por: Rice University
