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回收木材废料中的纳米晶体使碳纤维复合材料更坚韧

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-13 】 点击次数:
用超细碳纤维束增强的聚合物是“轻如羽毛,结实如钢”的复合材料的缩影,在多种行业中获得了广泛的应用。添加称为碳纳米管的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过程最终使它们不均匀地散布在复合材料上,从而限制了强度和最终可以达到的其他有用质量。
 
在一项新的研究,得克萨斯州A与M大学研究人员利用天然植物产品,名为纳米微晶纤维素,对销和大衣碳纳米管均匀地在碳纤维复合材料。研究人员说,他们规定的方法比传统方法更快,并且还允许从纳米级设计碳纤维复合材料。
 
研究结果在线发表在《美国化学学会(ACS)应用纳米材料》杂志上。
 
复合材料是分层构建的。例如,聚合物复合材料由纤维层(例如碳纤维或凯夫拉尔纤维)和聚合物基质制成。这种分层结构是复合材料弱点的根源。对层的任何损坏都会导致破裂,这一过程在技术上称为分层。
 
为了增加强度并赋予碳纤维复合材料其他所需的质量,例如导电性和导热性,经常添加碳纳米管。然而,用于将碳纳米管掺入这些复合物中的化学过程经常导致纳米颗粒结块,从而降低了添加这些颗粒的总体益处。
 
示意图显示蜂窝状纳米晶体如何帮助碳纳米管均匀分布在碳纤维复合材料上。图片来源:Amir Asadi博士/德克萨斯农工大学工程学院
“纳米颗粒的问题类似于将粗咖啡粉添加到牛奶中时发生的现象-粉末会聚结或粘在一起,”工程技术和工业分配部助理教授Amir Asadi博士说。“要充分利用碳纳米管,首先需要将它们彼此分离,然后再以某种方式设计为到达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和他的团队转向了纤维素 纳米晶体,这种纤维素纳米晶体很容易从回收的木浆中获得。这些纳米晶体在其分子上具有吸引水的片段以及被水排斥的其他片段。Asadi说,这种独特的分子结构为构建纳米级复合材料提供了理想的解决方案。
 
 
纤维素纳米晶体的疏水部分与碳纤维结合,并将其锚定在聚合物基质上。另一方面,纳米晶体的吸水部分有助于均匀地分散碳纤维,就像亲水性的糖如何均匀地溶解在水中而不是结块并沉降到杯子底部一样。
 
为了进行实验,研究人员使用了市售的碳纤维布。他们向这块布中添加了纤维素纳米晶体和碳纳米管的水溶液,然后施加强烈的振动将所有物品混合在一起。最后,他们让材料干燥并在其上铺展树脂,以逐渐形成碳纳米管涂层的聚合物复合材料。
 
在使用电子显微镜检查复合材料样品后,Asadi和他的团队观察到,纤维素纳米晶体附着在碳纳米管的尖端,使纳米管的方向相同。他们还发现,基于在极端载荷下测量材料的机械性能,纤维素纳米晶体使复合材料的抗弯曲性提高了33%,层间强度提高了40%。
 
“在这项研究中,我们采用了使用纤维素纳米晶体从纳米级设计复合材料的方法。这种方法使我们能够更好地控制宏观上出现的聚合物复合材料的性能,” Asadi说。“我们认为我们的技术是扩大混合复合材料加工规模的前进之路,这将对包括航空和汽车制造业在内的多种行业有用。”

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