Nanokristallen uit gerecycled houtafval maken koolstofvezelcomposieten taaier

Polymeren versterkt met ultrafijne strengen koolstofvezels belichamen composietmaterialen die “licht als een veertje en sterk als staal” zijn, waardoor ze veelzijdige toepassingen in verschillende industrieën opleveren. Het toevoegen van materialen die koolstofnanobuisjes worden genoemd, kan de functionaliteit van de composieten verder verbeteren. Maar de chemische processen die worden gebruikt voor het opnemen van koolstofnanobuisjes, verspreiden ze uiteindelijk ongelijk over de composieten, waardoor de sterkte en andere nuttige eigenschappen die uiteindelijk kunnen worden bereikt, worden beperkt.

In een nieuwe studie hebben onderzoekers van Texas A&M University een natuurlijk plantaardig product, cellulose nanokristallen genaamd, gebruikt om koolstofnanobuisjes gelijkmatig op de koolstofvezelcomposieten vast te pinnen en te coaten. 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 de studie worden online gepubliceerd in het tijdschrift American Chemical Society (ACS) Toegepaste nanomaterialen.

Composieten zijn opgebouwd uit lagen. Polymeercomposieten zijn bijvoorbeeld 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, worden vaak koolstofnanobuisjes toegevoegd. De chemische processen die worden gebruikt om de koolstofnanobuisjes in deze composieten op te nemen, zorgen er echter vaak voor dat de nanodeeltjes samenklonteren, waardoor het algemene 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 klontert of kleeft aan elkaar”, zegt dr. Amir Asadi, assistent-professor bij de afdeling Engineering Technology and Industrial Distribution. “Om volledig te profiteren van de koolstofnanobuisjes, moeten ze eerst van elkaar worden gescheiden en vervolgens op de een of andere manier worden ontworpen om naar een bepaalde locatie in het koolstofvezelcomposiet te gaan.”

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

Het hydrofobe deel van de cellulose-nanokristallen bindt zich aan de koolstofvezels en verankert ze op de polymeermatrix. Aan de andere kant helpen de wateraantrekkelijke delen van de nanokristallen de koolstofvezels gelijkmatig te verspreiden, net zoals suiker, dat hydrofiel is, gelijkmatig in water oplost in plaats van samen te klonteren en op de bodem van een kopje te nestelen.

Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers een in de handel verkrijgbaar koolstofvezeldoek. Aan dit doek voegden ze een waterige oplossing van cellulose-nanokristallen en koolstofnanobuisjes toe en pasten vervolgens sterke trillingen toe om alle items met elkaar te mengen. Ten slotte lieten ze het materiaal drogen en verspreidden ze er hars over om geleidelijk het met koolstof nanobuisjes gecoate polymeercomposiet te vormen.

Bij het onderzoeken van een monster van de composiet met behulp van elektronenmicroscopie, zagen Asadi en zijn team dat de cellulose-nanokristallen aan de uiteinden van de koolstofnanobuisjes vastzaten, waardoor de nanobuisjes in dezelfde richting werden georiënteerd. Ze ontdekten ook dat cellulose-nanokristallen de weerstand van het composiet tegen buigen met 33% verhoogden en de interlaminaire sterkte met 40% op basis van het meten van de mechanische eigenschappen van het materiaal onder extreme belasting.

“In deze studie hebben we gekozen voor het ontwerpen van de composieten op nanoschaal met behulp van cellulose nanokristallen. Deze methode heeft ons in staat gesteld meer controle te hebben over de eigenschappen van polymeercomposieten die op macroschaal naar voren komen”, aldus Asadi. “We denken dat onze techniek een pad voorwaarts is in het opschalen van de verwerking van hybride composieten, wat nuttig zal zijn voor een verscheidenheid aan industrieën, waaronder de luchtvaart en de automobielindustrie.”