I polimeri rinforzati con fili ultrasottili di fibre di carbonio incarnano materiali compositi "leggeri come una piuma e resistenti come l'acciaio, " guadagnando loro applicazioni versatili in diversi settori. L'aggiunta di materiali chiamati nanotubi di carbonio può migliorare ulteriormente la funzionalità dei compositi. Ma i processi chimici utilizzati per incorporare i nanotubi di carbonio finiscono per diffonderli in modo non uniforme sui compositi, limitando la forza e altre qualità utili che possono essere raggiunte alla fine.

In un nuovo studio, I ricercatori della Texas A&M University hanno utilizzato un prodotto vegetale naturale, chiamati nanocristalli di cellulosa, per fissare e rivestire i nanotubi di carbonio in modo uniforme sui compositi in fibra di carbonio. I ricercatori hanno affermato che il metodo prescritto è più rapido dei metodi convenzionali e consente anche la progettazione di compositi in fibra di carbonio su scala nanometrica.

I risultati dello studio sono pubblicati online sulla rivista American Chemical Society (ACS) Nanomateriali applicati .

I compositi sono costruiti a strati. Per esempio, i compositi polimerici sono costituiti da strati di fibra, come fibre di carbonio o Kevlar, e una matrice polimerica. Questa struttura a strati è la fonte della debolezza dei compositi. Eventuali danni agli strati provocano fratture, un processo tecnicamente noto come delaminazione.

Per aumentare la resistenza e dare ai compositi in fibra di carbonio altre qualità desiderabili, come la conducibilità elettrica e termica, vengono spesso aggiunti nanotubi di carbonio. Però, i processi chimici utilizzati per incorporare i nanotubi di carbonio in questi compositi spesso causano l'aggregazione delle nanoparticelle, riducendo il beneficio complessivo dell'aggiunta di queste particelle.

"Il problema con le nanoparticelle è simile a quello che accade quando si aggiunge una polvere di caffè grossolana al latte:la polvere si agglomera o si attacca l'una all'altra, " ha detto il dottor Amir Asadi, ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria delle Tecnologie e della Distribuzione Industriale. "Per sfruttare appieno i nanotubi di carbonio, devono prima essere separati l'uno dall'altro, e poi in qualche modo progettato per andare in una posizione particolare all'interno del composito in fibra di carbonio".

Per facilitare la distribuzione uniforme dei nanotubi di carbonio, Asadi e il suo team si sono rivolti ai nanocristalli di cellulosa, un composto facilmente ottenibile dalla pasta di legno riciclata. Questi nanocristalli hanno segmenti sulle loro molecole che attraggono l'acqua e altri segmenti che vengono respinti dall'acqua. Questa struttura molecolare unica offre la soluzione ideale per costruire compositi su scala nanometrica, disse Assad.

La parte idrofoba dei nanocristalli di cellulosa si lega alle fibre di carbonio e le ancora alla matrice polimerica. D'altra parte, le porzioni dei nanocristalli che attraggono l'acqua aiutano a disperdere le fibre di carbonio in modo uniforme, proprio come lo zucchero, che è idrofilo, si dissolve in acqua in modo uniforme anziché aggregarsi e depositarsi sul fondo di una tazza.

Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno utilizzato un panno in fibra di carbonio disponibile in commercio. A questo panno, hanno aggiunto una soluzione acquosa di nanocristalli di cellulosa e nanotubi di carbonio e quindi hanno applicato una forte vibrazione per mescolare tutti gli elementi insieme. Finalmente, hanno lasciato asciugare il materiale e hanno spalmato la resina su di esso per formare gradualmente il composito polimerico rivestito di nanotubi di carbonio.

Dopo aver esaminato un campione del composito mediante microscopia elettronica, Asadi e il suo team hanno osservato che i nanocristalli di cellulosa attaccati alle punte dei nanotubi di carbonio, orientando i nanotubi nella stessa direzione. Hanno anche scoperto che i nanocristalli di cellulosa hanno aumentato la resistenza del composito alla flessione del 33% e la sua resistenza inter-laminare del 40% in base alla misurazione delle proprietà meccaniche del materiale sotto carico estremo.

"In questo studio, abbiamo adottato l'approccio di progettare i compositi dalla nanoscala utilizzando nanocristalli di cellulosa. Questo metodo ci ha permesso di avere un maggiore controllo sulle proprietà dei compositi polimerici che emergono alla macroscala, " ha detto Asadi. "Pensiamo che la nostra tecnica sia un percorso in avanti nell'aumento della lavorazione dei compositi ibridi, che sarà utile per una varietà di settori, compresa la produzione di compagnie aeree e automobilistiche."