Nanokrystaller fra genanvendt træaffald gør kulfiberkompositter hårdere

Polymerer forstærket med ultrafine tråde af kulfiber repræsenterer kompositmaterialer, der er "lette som en fjer og stærke som stål, " giver dem alsidige applikationer på tværs af flere industrier. Tilføjelse af materialer kaldet kulstofnanorør kan yderligere forbedre kompositternes funktionalitet. Men de kemiske processer, der bruges til at inkorporere kulstofnanorør, ender med at sprede dem ujævnt på kompositterne, begrænser styrken og andre nyttige egenskaber, der i sidste ende kan opnås.

I en ny undersøgelse, Texas A&M University forskere har brugt et naturligt planteprodukt, kaldet cellulose nanokrystaller, at fastgøre og belægge kulstofnanorør ensartet på kulfiberkompositterne. Forskerne sagde, at deres ordinerede metode er hurtigere end konventionelle metoder og tillader også design af kulfiberkompositter fra nanoskalaen.

Resultaterne af undersøgelsen er offentliggjort online i tidsskriftet American Chemical Society (ACS) Anvendte nanomaterialer .

Kompositmaterialer er bygget i lag. For eksempel, polymerkompositter er lavet af lag af fiber, som kulfibre eller Kevlar, og en polymermatrix. Denne lagdelte struktur er kilden til kompositternes svaghed. Enhver skade på lagene forårsager brud, en proces, teknisk kendt som delaminering.

For at øge styrken og give kulfiberkompositter andre ønskværdige kvaliteter, såsom elektrisk og termisk ledningsevne, kulstof nanorør tilsættes ofte. Imidlertid, de kemiske processer, der bruges til at inkorporere kulstofnanorørene i disse kompositter, får ofte nanopartiklerne til at klumpe sig sammen, reducere den samlede fordel ved at tilføje disse partikler.

"Problemet med nanopartikler ligner det, der sker, når du tilføjer groft kaffepulver til mælk - pulveret agglomererer eller klæber til hinanden, " sagde Dr. Amir Asadi, adjunkt i Institut for Ingeniørteknologi og Industriel Distribution. "For fuldt ud at udnytte kulstofnanorørene, de skal først adskilles fra hinanden, og derefter på en eller anden måde designet til at gå til et bestemt sted i kulfiberkompositten."

For at lette den jævne fordeling af kulstofnanorør, Asadi og hans team vendte sig mod cellulose nanokrystaller, en forbindelse, der let opnås fra genbrugstræmasse. Disse nanokrystaller har segmenter på deres molekyler, der tiltrækker vand og andre segmenter, der bliver frastødt af vand. Denne unikke molekylære struktur tilbyder den ideelle løsning til at konstruere kompositter på nanoskala, sagde Asadi.

Den hydrofobe del af cellulosenanokrystallerne binder sig til kulfibrene og forankrer dem på polymermatrixen. På den anden side, de vandattraktive dele af nanokrystallerne hjælper med at sprede kulfibrene jævnt, meget gerne hvordan sukker, som er hydrofilt, opløses ensartet i vand i stedet for at klumpe sig og bundfælde sig i bunden af ​​en kop.

For deres eksperimenter, forskerne brugte en kommercielt tilgængelig kulfiberklud. Til dette klæde, de tilsatte en vandig opløsning af cellulosenanokrystaller og kulstofnanorør og påførte derefter kraftige vibrationer for at blande alle emnerne sammen. Endelig, de lod materialet tørre og spredte harpiks på det for gradvist at danne den kulstofnanorørbelagte polymerkomposit.

Ved at undersøge en prøve af kompositmaterialet ved hjælp af elektronmikroskopi, Asadi og hans team observerede, at cellulosenanokrystallerne bundet til spidserne af kulstofnanorørene, at orientere nanorørene i samme retning. De fandt også, at cellulosenanokrystaller øgede komposittens modstandsdygtighed over for bøjning med 33% og dens interlaminære styrke med 40% baseret på måling af materialets mekaniske egenskaber under ekstrem belastning.

"I dette studie, vi har valgt at designe kompositterne fra nanoskalaen ved hjælp af cellulosenanokrystaller. Denne metode har gjort det muligt for os at have mere kontrol over polymerkompositternes egenskaber, der fremkommer på makroskalaen, " sagde Asadi. "Vi mener, at vores teknik er en vej fremad i at opskalere behandlingen af ​​hybride kompositter, which will be useful for a variety of industries, including airline and automobile manufacturing."