美利用回收木漿增強復(fù)合材料 抗彎力提高33%

　　增強型聚合物加上超細的碳纖維就成為一種“輕如羽毛、堅固如鋼鐵”的復(fù)合材料，讓其可以應(yīng)用于多個行業(yè)。現(xiàn)在，增加一種碳納米管則可以進一步提升此種復(fù)合材料的功能，但是集成碳納米管的化學(xué)工藝會導(dǎo)致碳納米管在復(fù)合材料中擴散不均勻，限制其最終可以實現(xiàn)的強度和其他有用的性能。

　　不過，據(jù)外媒報道，美國德州農(nóng)工大學(xué)（Texas A&M University）的研究人員采用了一種稱作纖維素納米晶體（cellulose nanocrystal）的天然植物產(chǎn)品，將碳納米管均勻地固定和包裹在碳纖維復(fù)合材料上。研究人員表示，他們的方法比傳統(tǒng)方法速度更快，而且可以用于設(shè)計納米大小的碳纖維復(fù)合材料。

　　復(fù)合材料都是分層構(gòu)建的，例如，聚合物復(fù)合材料由纖維層（如碳纖維或芳綸纖維）以及聚合物基質(zhì)制成。此種分層結(jié)構(gòu)也是復(fù)合材料弱點的根源，分層的任何損傷都會導(dǎo)致裂縫，導(dǎo)致脫層（delamination）。

　　為了提高碳纖維材料的強度并實現(xiàn)其他理想的性能，例如電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率，通常都會添加碳納米管。然而，在復(fù)合材料中添加碳納米管的化學(xué)工藝經(jīng)常導(dǎo)致納米顆粒聚集，降低了此類顆粒的整體效益。

　　研究人員表示：“這個問題就跟把粗咖啡粉加入牛奶一樣，粉末會互相粘在一起。為了充分利用碳納米管，首先需要讓它們彼此分離，再以某種方式，讓其集成到碳纖維復(fù)合材料中的特定位置。”

　　為了讓碳納米管均勻分布，研究人員開始研究纖維素納米晶體，此種化學(xué)物可以輕易從回收木漿中獲取，既有吸水分子，也有排水分子，此種獨特的分子結(jié)構(gòu)使其成為一種理想的解決方案，可以打造納米復(fù)合材料。

　　纖維素納米晶體的疏水部分與碳纖維結(jié)合，并將其固定在聚合物基質(zhì)上。此外，吸水部分有助于均勻地分散碳纖維，就像糖在水中均勻溶解，而不是結(jié)塊沉到杯底。

　　在實驗中，研究人員采用了一種商用碳纖維布。在這塊布中，加入了纖維素納米晶體和碳納米管制成的水溶液，然后利用強振動，將它們混合在一起。最后，將材料干燥，并在上面散布樹脂，以逐漸形成涂覆碳納米管的聚合物復(fù)合材料。

　　之后，研究人員用電子顯微鏡檢查了該復(fù)合材料樣品，發(fā)現(xiàn)纖維素納米晶體附著在碳納米管的尖端，讓碳納米管也朝著相同的方向。此外，根據(jù)對材料在極端載荷下力學(xué)性能的測試，還發(fā)現(xiàn)，纖維素納米晶體讓復(fù)合材料的抗彎能力提高了33%，層間強度提高了40%。

　　研究人員表示：“在該項研究中，我們采用了從納米尺度設(shè)計復(fù)合材料的方法，從而可以讓我們從宏觀上更好地控制聚合物復(fù)合材料的性能。我們認為，我們的技術(shù)可以擴大混合復(fù)合材料的加工規(guī)模，對航空和汽車制造等很多行業(yè)帶來好處。”