البلورات النانوية الخلوية من نفايات الخشب المعاد تدويرها تجعل مركبات ألياف الكربون أكثر صلابة

البوليمرات المقواة بخيوط فائقة النعومة من ألياف الكربون تلخص المواد المركبة “خفيفة كالريشة وقوية كالصلب” ، مما يكسبها تطبيقات متعددة في العديد من الصناعات. يمكن أن تؤدي إضافة مواد تسمى الأنابيب النانوية الكربونية إلى زيادة تعزيز وظائف المركبات. لكن العمليات الكيميائية المستخدمة لدمج الأنابيب النانوية الكربونية ينتهي بها الأمر إلى نشرها بشكل غير متساو على المركبات ، مما يحد من القوة والصفات المفيدة الأخرى التي يمكن تحقيقها في النهاية.

في دراسة جديدة ، استخدم باحثو جامعة تكساس إيه آند إم منتجًا نباتيًا طبيعيًا ، يسمى بلورات السليلوز النانوية ، لتثبيت الأنابيب النانوية الكربونية وتغطيتها بشكل موحد على مركبات ألياف الكربون. قال الباحثون إن طريقتهم الموصوفة أسرع من الطرق التقليدية وتسمح أيضًا بتصميم مركبات ألياف الكربون من المقياس النانوي .

 

 

المركبات مبنية في طبقات. على سبيل المثال ، تتكون مركبات البوليمر من طبقات من الألياف ، مثل ألياف الكربون أو كيفلر ، ومصفوفة بوليمر. هذا الهيكل الطبقي هو مصدر ضعف المركبات. أي ضرر يلحق بالطبقات يسبب كسورًا ، وهي عملية تعرف تقنيًا باسم التفريغ.

لزيادة القوة وإعطاء مركبات ألياف الكربون صفات أخرى مرغوبة ، مثل التوصيل الكهربائي والحراري ، غالبًا ما تتم إضافة الأنابيب النانوية الكربونية. ومع ذلك ، فإن العمليات الكيميائية المستخدمة لدمج الأنابيب النانوية الكربونية في هذه المركبات غالبًا ما تتسبب في تكتل الجسيمات النانوية ، مما يقلل من الفائدة الإجمالية لإضافة هذه الجسيمات.

قال الدكتور أمير أسدي ، الأستاذ المساعد في قسم الهندسة والتكنولوجيا والتوزيع الصناعي: “إن مشكلة الجسيمات النانوية مشابهة لما يحدث عند إضافة مسحوق القهوة الخشنة إلى الحليب – يتكتل المسحوق أو يلتصق ببعضه البعض”. “للاستفادة الكاملة من الأنابيب النانوية الكربونية ، يجب فصلها عن بعضها أولاً ، ثم تصميمها بطريقة ما للانتقال إلى موقع معين داخل مركب ألياف الكربون.”

لتسهيل التوزيع المتساوي للأنابيب النانوية الكربونية ، لجأ أسدي وفريقه إلى بلورات السليلوز النانوية ، وهو مركب يمكن الحصول عليه بسهولة من لب الخشب المعاد تدويره. تحتوي هذه البلورات النانوية على شرائح على جزيئاتها تجذب الماء والأجزاء الأخرى التي يتنافرها الماء. قال أسدي إن هذا التركيب الجزيئي الفريد يقدم الحل الأمثل لبناء مركبات على المستوى النانوي.

يرتبط الجزء الكارث للماء من بلورات السليلوز النانوية بألياف الكربون ويثبتها على مصفوفة البوليمر. من ناحية أخرى ، تساعد الأجزاء الجذابة للماء من البلورات النانوية في تشتيت ألياف الكربون بالتساوي ، تمامًا مثل كيفية ذوبان السكر ، وهو ماء ، في الماء بشكل موحد بدلاً من التكتل والاستقرار في قاع الكوب.

في تجاربهم ، استخدم الباحثون قطعة قماش من ألياف الكربون متوفرة تجارياً. إلى هذا القماش ، أضافوا محلولًا مائيًا من بلورات السليلوز النانوية والأنابيب النانوية الكربونية ثم طبقوا اهتزازًا قويًا لخلط كل العناصر معًا. أخيرًا ، تركوا المادة لتجف ونشر الراتنج عليها لتكوين مركب البوليمر المغلف بأنابيب الكربون النانوية تدريجيًا.

عند فحص عينة من المركب باستخدام المجهر الإلكتروني ، لاحظ أسدي وفريقه أن البلورات النانوية السليلوزية مرتبطة بأطراف الأنابيب النانوية الكربونية ، وتوجه الأنابيب النانوية في نفس الاتجاه. ووجدوا أيضًا أن بلورات السليلوز النانوية زادت مقاومة المركب للانحناء بنسبة 33٪ وقوته بين الطبقات بنسبة 40٪ بناءً على قياس الخواص الميكانيكية للمادة تحت التحميل الشديد.

“في هذه الدراسة ، اتخذنا نهج تصميم المركبات من المقياس النانوي باستخدام بلورات السليلوز النانوية. قال أسدي: “لقد سمحت لنا هذه الطريقة بمزيد من التحكم في خصائص مركبات البوليمر التي تظهر على المستوى الكبير”. “نعتقد أن أسلوبنا هو طريق إلى الأمام في توسيع نطاق معالجة المركبات الهجينة ، والتي ستكون مفيدة لمجموعة متنوعة من الصناعات ، بما في ذلك صناعة الطيران والسيارات.”

ومن بين المساهمين الآخرين في هذا البحث شادي شريعانية وأنواثا ف. كومار من قسم جي مايك ووكر للهندسة الميكانيكية 66 ، وأوزجي كاينان من قسم علوم وهندسة المواد.