Fibras híbridas de carbón con nano estructuras, obtención y caracterización térmica.

En este trabajo se sintetizaron fibras híbridas de carbón con nano estructuras del mismo elemento a partir de una solución acuosa de alcohol de polivinilo (PVA) junto con sales y un surfactante. Se emplearon NaCl y glicerina para formar puentes de hidrógeno con los grupos -OH del PVA en solución acuosa a fin de modificar las propiedades viscoelásticas y la cristalización de las cadenas poliméricas. Adicionalmente, se empleó FeSO₄ para promover la formación de nanoestructuras de carbón en las fibras. Las fibras del precursor de carbón se produjeron mediante la técnica de hilado centrifugo, éstas se deshidrataron con vapor de ácido sulfúrico y finalmente se carbonizaron térmicamente. La composición y estructura de las fibras se analizó mediante las técnicas de SEM, XRD, FTIR y Raman. Se encuentra que los aditivos modifican las condiciones de hilado y la estructura de las fibras de carbón. Los resultados muestran que en general, las fibras producidas a partir de PVA solo tienen una estructura de carbón turbostrático. La adición de cierta concentración de NaCl al precursor de carbón contribuye a la formación de velos de grafeno de múltiples capas entre las fibras, mientras que la adición de glicerina y NaCl favorece la formación de velos de grafito. Sin embargo, la glicerina da lugar también a la formación de nanotubos de carbón multipared. Finalmente, la incorporación de la sal de hierro contribuye la formación de nanolistones de carbón. La conductividad térmica de las fibras se determinó por un método termográfico, que consiste en detectar con una cámara de infrarrojo la distribución de temperatura en una muestra calentada por luz visible. La conductividad se calcula ajustando los datos de la geometría de la muestra, absorbancia y distribución radial de temperaturas a una expresión analítica. No obstante que la presencia de las nanoestructuras de carbón es escasa, su efecto en la conductividad térmica de las fibras es perceptible. Las fibras de carbón simples tienen una conductividad de 22 W/m-K. Las fibras híbridas de carbón con grafeno multicapa tienen una conductividad térmica a 28 W/m-K. Las fibras híbridas con nanotubos de carbono multipared presentaron una conductividad térmica de 24.6 W/m-K y las fibras con FeSO₄ tiene una conductividad de 23.7 W/m-K. En general, la conductividad térmica de las fibras de carbón producidas en este trabajo aumenta con la presencia de estas nanoestructuras.

In this work, hybrid carbon fibers with nanostructures of the same element were synthesized from an aqueous solution of polyvinyl alcohol with salts and a surfactant. NaCl and glycerin were used to form hydrogen bonds with the -OH groups of PVA in aqueous solution in order to modify the viscoelastic properties and crystallization of the polymer chains. Additionally, FeSO₄ was incorporated to the PVA solution to promote the formation of carbon nanostructures in the fibers. The fibers of the carbon precursor were produced by the centrifugal spinning technique, then dehydrated with sulfuric acid vapor and finally thermally carbonized. The composition and structure of the carbon fibers was analyzed by SEM, XRD, FTIR and Raman. Additives are found to modify the spinning conditions of fibers and the structure of carbon fibers. Results show that in general, fibers produced from PVA only have a turbostratic carbon structure. The addition of a certain concentration of NaCl to the carbon precursor contributes to the formation of multi-layered graphene veils between the fibers, while the addition of glycerin and NaCl give rise to the formation of graphite veils. However, glycerin also leads to the formation of multiwalled carbon nanotubes. Finally, the incorporation of iron salt contributes to the formation of carbon nanoribbons. The thermal conductivity of the fibers was determined by a thermographic method, which consists in detecting with an infrared camera, the temperature distribution in a sample heated by visible light. Conductivity is calculated by adjusting the data of sample geometry, absorbance and radial distribution of temperatures to an analytical expression. Although the presence of carbon nanostructures is scarce, their effect on the thermal conductivity of the fibers is perceptible. Simple carbon fibers have a conductivity of 22 W/m-K. Hybrid Carbon fiber with multilayer graphene have a thermal conductivity at 28 W/m-K. Hybrid fibers with multiwall carbon nanotubes have a thermal conductivity of 24.6 W/m-K and fiber with FeSO₄ have a conductivity of 23.7 W/m-K. In general, the thermal conductivity of the carbon fibers produced in this work increases with the presence of these nanostructures.