Polymeren versterkt met ultrafijne strengen koolstofvezels belichamen composietmaterialen die "licht als een veertje en sterk als staal, " waardoor ze veelzijdige toepassingen in verschillende industrieën opleveren. Het toevoegen van materialen die koolstofnanobuizen worden genoemd, kan de functionaliteit van de composieten verder verbeteren. Maar de chemische processen die worden gebruikt voor het opnemen van koolstofnanobuisjes zorgen ervoor dat ze ongelijkmatig over de composieten worden verspreid, het beperken van de kracht en andere nuttige eigenschappen die uiteindelijk kunnen worden bereikt.

In een nieuwe studie, Onderzoekers van de Texas A&M University hebben een natuurlijk plantaardig product gebruikt, cellulose nanokristallen genoemd, om koolstofnanobuisjes uniform vast te pinnen en te coaten op de koolstofvezelcomposieten. De onderzoekers zeiden dat hun voorgeschreven methode sneller is dan conventionele methoden en ook het ontwerpen van koolstofvezelcomposieten op nanoschaal mogelijk maakt.

De resultaten van het onderzoek zijn online gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society (ACS) Toegepaste nanomaterialen .

Composieten worden in lagen opgebouwd. Bijvoorbeeld, polymeercomposieten zijn gemaakt van vezellagen, zoals koolstofvezels of Kevlar, en een polymeermatrix. Deze gelaagde structuur is de bron van de zwakte van de composieten. Elke beschadiging van de lagen veroorzaakt breuken, een proces dat technisch bekend staat als delaminatie.

Om de sterkte te vergroten en koolstofvezelcomposieten andere gewenste eigenschappen te geven, zoals elektrische en thermische geleidbaarheid, koolstof nanobuisjes worden vaak toegevoegd. Echter, de chemische processen die worden gebruikt om de koolstofnanobuisjes in deze composieten op te nemen, zorgen er vaak voor dat de nanodeeltjes gaan klonteren, waardoor het algehele voordeel van het toevoegen van deze deeltjes wordt verminderd.

"Het probleem met nanodeeltjes is vergelijkbaar met wat er gebeurt als je grof koffiepoeder aan melk toevoegt - het poeder agglomereert of plakt aan elkaar, " zei Dr. Amir Asadi, universitair docent bij de afdeling Engineering Technology and Industrial Distribution. "Om volledig te profiteren van de koolstofnanobuisjes, ze moeten eerst van elkaar worden gescheiden, en dan op de een of andere manier ontworpen om naar een bepaalde locatie in de koolstofvezelcomposiet te gaan."

Om de gelijkmatige verdeling van koolstofnanobuisjes te vergemakkelijken, Asadi en zijn team wendden zich tot nanokristallen van cellulose, een verbinding die gemakkelijk kan worden verkregen uit gerecyclede houtpulp. Deze nanokristallen hebben segmenten op hun moleculen die water aantrekken en andere segmenten die door water worden afgestoten. Deze unieke moleculaire structuur biedt de ideale oplossing om composieten te construeren op nanoschaal, zei Asadi.

Het hydrofobe deel van de cellulose-nanokristallen bindt zich aan de koolstofvezels en verankert ze op de polymeermatrix. Anderzijds, de wateraantrekkelijke delen van de nanokristallen helpen bij het gelijkmatig verspreiden van de koolstofvezels, net als hoe suiker, die hydrofiel is, lost gelijkmatig op in water in plaats van te klonteren en neer te slaan op de bodem van een kopje.

Voor hun experimenten, de onderzoekers gebruikten een in de handel verkrijgbare koolstofvezeldoek. Naar dit doek, ze voegden een waterige oplossing van cellulose-nanokristallen en koolstofnanobuisjes toe en pasten vervolgens sterke trillingen toe om alle items samen te mengen. Eindelijk, ze lieten het materiaal drogen en verspreidden er hars op om geleidelijk de met koolstof nanobuis gecoate polymeercomposiet te vormen.

Bij het onderzoeken van een monster van de composiet met behulp van elektronenmicroscopie, Asadi en zijn team merkten op dat de cellulose-nanokristallen die aan de uiteinden van de koolstofnanobuisjes vastzaten, de nanobuisjes in dezelfde richting te oriënteren. Ze ontdekten ook dat nanokristallen van cellulose de buigweerstand van het composiet met 33% en de interlaminaire sterkte met 40% verhoogden op basis van het meten van de mechanische eigenschappen van het materiaal onder extreme belasting.

"In dit onderzoek, we hebben gekozen voor het ontwerpen van de composieten op nanoschaal met behulp van nanokristallen van cellulose. Deze methode heeft ons in staat gesteld meer controle te hebben over de eigenschappen van de polymeercomposieten die op macroschaal naar voren komen, " zei Asadi. "We denken dat onze techniek een stap vooruit is in het opschalen van de verwerking van hybride composieten, which will be useful for a variety of industries, including airline and automobile manufacturing."