Los polímeros reforzados con hebras ultrafinas de fibras de carbono personifican los materiales compuestos que son "ligeros como una pluma y fuertes como el acero, "obteniendo aplicaciones versátiles en varias industrias. Agregar materiales llamados nanotubos de carbono puede mejorar aún más la funcionalidad de los compuestos. Pero los procesos químicos utilizados para incorporar nanotubos de carbono terminan extendiéndolos de manera desigual en los compuestos, limitando la fuerza y ​​otras cualidades útiles que se pueden lograr en última instancia.

En un nuevo estudio, Los investigadores de la Universidad de Texas A&M han utilizado un producto vegetal natural, llamados nanocristales de celulosa, para fijar y recubrir nanotubos de carbono uniformemente sobre los compuestos de fibra de carbono. Los investigadores dijeron que su método prescrito es más rápido que los métodos convencionales y también permite el diseño de compuestos de fibra de carbono a nanoescala.

Los resultados del estudio se publican en línea en la revista American Chemical Society (ACS). Nano materiales aplicados .

Los materiales compuestos se construyen en capas. Por ejemplo, los compuestos poliméricos están hechos de capas de fibra, como fibras de carbono o kevlar, y una matriz de polímero. Esta estructura en capas es la fuente de la debilidad de los compuestos. Cualquier daño a las capas provoca fracturas, un proceso técnicamente conocido como delaminación.

Para aumentar la resistencia y dar a los compuestos de fibra de carbono otras cualidades deseables, como la conductividad eléctrica y térmica, A menudo se añaden nanotubos de carbono. Sin embargo, los procesos químicos utilizados para incorporar los nanotubos de carbono en estos compuestos a menudo hacen que las nanopartículas se agrupen, reduciendo el beneficio general de agregar estas partículas.

"El problema con las nanopartículas es similar a lo que sucede cuando se agrega café en polvo grueso a la leche:el polvo se aglomera o se pega entre sí, "dijo el Dr. Amir Asadi, profesor ayudante del Departamento de Tecnología de la Ingeniería y Distribución Industrial. "Para aprovechar al máximo los nanotubos de carbono, primero deben separarse el uno del otro, y luego de alguna manera diseñado para ir a una ubicación particular dentro del compuesto de fibra de carbono ".

Para facilitar la distribución uniforme de los nanotubos de carbono, Asadi y su equipo recurrieron a nanocristales de celulosa, un compuesto que se obtiene fácilmente a partir de pulpa de madera reciclada. Estos nanocristales tienen segmentos en sus moléculas que atraen el agua y otros segmentos que son repelidos por el agua. Esta estructura molecular única ofrece la solución ideal para construir compuestos a nanoescala, dijo Asadi.

La parte hidrófoba de los nanocristales de celulosa se une a las fibras de carbono y las ancla a la matriz polimérica. Por otra parte, las porciones de los nanocristales que atraen el agua ayudan a dispersar las fibras de carbono de manera uniforme, como el azúcar que es hidrofílico, se disuelve en agua de manera uniforme en lugar de aglutinarse y depositarse en el fondo de una taza.

Por sus experimentos, los investigadores utilizaron una tela de fibra de carbono disponible comercialmente. A esta tela, agregaron una solución acuosa de nanocristales de celulosa y nanotubos de carbono y luego aplicaron una fuerte vibración para mezclar todos los elementos. Finalmente, dejaron secar el material y esparcieron resina sobre él para formar gradualmente el compuesto de polímero recubierto de nanotubos de carbono.

Al examinar una muestra del material compuesto mediante microscopía electrónica, Asadi y su equipo observaron que los nanocristales de celulosa unidos a las puntas de los nanotubos de carbono, orientando los nanotubos en la misma dirección. También encontraron que los nanocristales de celulosa aumentaron la resistencia del compuesto a la flexión en un 33% y su resistencia interlaminar en un 40% basándose en la medición de las propiedades mecánicas del material bajo cargas extremas.

"En este estudio, Hemos adoptado el enfoque de diseñar los compuestos a nanoescala utilizando nanocristales de celulosa. Este método nos ha permitido tener más control sobre las propiedades de los compuestos poliméricos que emergen en la macroescala, ", dijo Asadi." Creemos que nuestra técnica es un camino a seguir en la ampliación del procesamiento de compuestos híbridos, que será útil para una variedad de industrias, incluida la fabricación de aerolíneas y automóviles ".