来自再生木材废料的细胞纳米晶体使碳纤维复合材料变得更加强硬

碳纤维上的细胞纳米晶体的电子显微照片。

用超细碳纤维的碳纤维增强的聚合物，复合材料是“轻的羽毛和强钢，”在几个行业的多功能应用中盈利。添加称为碳纳米管的添加材料可以进一步增强复合材料的功能。但是用于掺入碳纳米管的化学方法最终在复合材料上不均匀地扩散它们，限制了最终实现的强度和其他有用的品质。

在一项新的研究中，德克萨斯州A＆M大学研究人员已经使用了一种典型的天然植物产品，称为纤维素纳米晶体，以均匀地涂覆到碳纤维复合材料上的碳纳米管。研究人员表示，其规定的方法比常规方法更快，并且还允许从纳米级设计碳纤维复合材料。

该研究的结果在美国化学学会（ACS）应用纳米材料上在线公布。

复合材料是层层的。例如，聚合物复合材料由纤维层，如碳纤维或Kevlar和聚合物基质制成。该分层结构是复合材料的源极的源泉。对层的任何损坏都会导致骨折，这是技术上称为分层的过程。

为了提高强度并给予碳纤维复合材料，通常添加其他所需的品质，例如电和导热率，碳纳米管。然而，用于将碳纳米管掺入这些复合材料中的化学过程通常导致纳米颗粒丛挤，降低加入这些颗粒的总体益处。

“纳米粒子的问题类似于当您将粗咖啡粉添加到牛奶中 - 粉末附聚或彼此粘连时会发生什么，”工程技术和工业分布部助理教授Amir Asadi博士说。“为了充分利用碳纳米管，他们需要先彼此分开，然后以某种方式设计成碳纤维复合材料内的特定位置。”

为了促进碳纳米管的均匀分布，Asadi和他的团队转向纤维素纳米晶体，一种容易从再生木浆获得的化合物。这些纳米晶体在其分子上具有段，其吸引水和被水排斥的其他段。Asadi表示，这种独特的分子结构提供了在纳米级构建复合材料的理想解决方案。

纤维素纳米晶体的疏水部分与碳纤维结合并将它们锚固到聚合物基质上。另一方面，纳米晶体的水 - 吸引物部分有助于均匀地分散碳纤维，就像多种亲水，均匀地溶解在水中而不是夹在杯子的底部的糖。

对于他们的实验，研究人员使用了商业上可用的碳纤维布。向该布料中，它们加入了纤维素纳米晶体和碳纳米管的水溶液，然后施加强振动以将所有物品混合在一起。最后，它们将材料留在干燥和涂抹树脂上，逐渐形成碳纳米管涂覆的聚合物复合材料。

示意图显示细胞纳米晶体如何有助于在碳纤维复合材料上均匀地分布碳纳米管。

在使用电子显微镜检查复合物的样品后，ASADI和他的团队观察到附着在碳纳米管的尖端上的纤维素纳米晶体，在相同方向上取向纳米管。他们还发现纤维素纳米晶体基于测量在极端负载下测量材料的机械性能，将复合物纳米晶体与33％的抗弯曲的抵抗力提高了33％，其层间强度达到40％。

“在这项研究中，我们已经采取了使用纤维素纳米晶体从纳米级占纳米级构建复合材料的方法。Asadi说，这种方法使我们能够更多地控制在宏观上出现的聚合物复合材料的性质。““我们认为我们的技术是在扩大混合复合材料的加工方面的前进路径，这将对各种行业，包括航空公司和汽车制造。”

本研究的其他贡献者包括Shadi Shariatnia和Annuatha V.Kumar来自J.Mike Walker'66机械工程系，以及材料科学与工程系的欧茨凯南。

参考：Shadi Shariatnia，Annuatha V.Kumar，ozge Kaynan和Amir Asadi，2020年5月14日，“杂交纤维素纳米镍粘结碳纳米管/碳纤维聚合物复合材料用于结构应用”。
10.1021 / ACSANM.0C00785

这项研究是由美国国家科学基金会资助的。