Polymerer förstärkta med ultrafina strängar av kolfibrer representerar kompositmaterial som är "lätt som en fjäder och stark som stål, " ger dem mångsidiga tillämpningar inom flera industrier. Att lägga till material som kallas kolnanorör kan ytterligare förbättra kompositernas funktionalitet. Men de kemiska processerna som används för att införliva kolnanorören sprider dem ojämnt på kompositerna, begränsa styrkan och andra användbara egenskaper som i slutändan kan uppnås.

I en ny studie, Forskare från Texas A&M University har använt en naturlig växtprodukt, kallas cellulosa nanokristaller, att nåla och belägga kolnanorör enhetligt på kolfiberkompositerna. Forskarna sa att deras föreskrivna metod är snabbare än konventionella metoder och även tillåter utformning av kolfiberkompositer från nanoskala.

Resultaten av studien publiceras online i tidskriften American Chemical Society (ACS) Tillämpade nanomaterial .

Kompositer byggs i lager. Till exempel, polymerkompositer är gjorda av lager av fiber, som kolfibrer eller Kevlar, och en polymermatris. Denna skiktade struktur är källan till kompositernas svaghet. Alla skador på lagren orsakar frakturer, en process som är tekniskt känd som delaminering.

För att öka styrkan och ge kolfiberkompositer andra önskvärda egenskaper, såsom elektrisk och termisk ledningsförmåga, kolnanorör tillsätts ofta. Dock, de kemiska processerna som används för att införliva kolnanorören i dessa kompositer får ofta nanopartiklarna att klumpa ihop sig, minska den totala fördelen med att tillsätta dessa partiklar.

"Problemet med nanopartiklar liknar det som händer när du tillsätter grovt kaffepulver till mjölk - pulvret agglomereras eller fastnar vid varandra, " sa Dr Amir Asadi, biträdande professor vid Institutionen för teknisk teknik och industriell distribution. "För att fullt ut dra nytta av kolnanorören, de måste separeras från varandra först, och sedan på något sätt utformad för att gå till en viss plats i kolfiberkompositen."

För att underlätta en jämn fördelning av kolnanorör, Asadi och hans team vände sig till cellulosa nanokristaller, en förening som lätt erhålls från återvunnen trämassa. Dessa nanokristaller har segment på sina molekyler som attraherar vatten och andra segment som stöts bort av vatten. Denna unika molekylära struktur erbjuder den idealiska lösningen för att konstruera kompositer i nanoskala, sa Asadi.

Den hydrofoba delen av cellulosananokristallerna binder till kolfibrerna och förankrar dem på polymermatrisen. Å andra sidan, de vattenattraktiva delarna av nanokristallerna hjälper till att sprida kolfibrerna jämnt, ungefär som hur socker, som är hydrofil, löser sig jämnt i vatten istället för att klumpa sig och sedimentera på botten av en kopp.

För sina experiment, forskarna använde en kommersiellt tillgänglig kolfiberduk. Till detta tyg, de tillsatte en vattenlösning av cellulosananokristaller och kolnanorör och applicerade sedan kraftiga vibrationer för att blanda alla föremålen. Till sist, de lämnade materialet att torka och spred harts på det för att gradvis bilda den kolnanorörsbelagda polymerkompositen.

Efter att ha undersökt ett prov av kompositen med elektronmikroskopi, Asadi och hans team observerade att cellulosananokristallerna fästa vid spetsarna på kolnanorören, orientera nanorören i samma riktning. De fann också att nanokristaller av cellulosa ökade kompositens motståndskraft mot böjning med 33 % och dess interlaminära styrka med 40 % baserat på mätning av materialets mekaniska egenskaper under extrem belastning.

"I den här studien, vi har tagit tillvägagångssättet att designa kompositerna från nanoskala med hjälp av cellulosa nanokristaller. Denna metod har gjort det möjligt för oss att ha mer kontroll över polymerkompositernas egenskaper som framträder i makroskala, ", sa Asadi. "Vi tror att vår teknik är en väg framåt för att skala upp bearbetningen av hybridkompositer, som kommer att vara användbar för en mängd olika branscher, inklusive flygbolag och biltillverkning."