Les polymères renforcés de brins ultrafins de fibres de carbone incarnent les matériaux composites « légers comme une plume et résistants comme l'acier, " ce qui leur a valu des applications polyvalentes dans plusieurs industries. L'ajout de matériaux appelés nanotubes de carbone peut encore améliorer la fonctionnalité des composites. Mais les processus chimiques utilisés pour incorporer les nanotubes de carbone finissent par les répartir de manière inégale sur les composites, limitant la force et d'autres qualités utiles qui peuvent être finalement atteintes.

Dans une nouvelle étude, Des chercheurs de la Texas A&M University ont utilisé un produit végétal naturel, appelés nanocristaux de cellulose, pour épingler et enrober uniformément les nanotubes de carbone sur les composites en fibre de carbone. Les chercheurs ont déclaré que leur méthode prescrite est plus rapide que les méthodes conventionnelles et permet également la conception de composites en fibre de carbone à l'échelle nanométrique.

Les résultats de l'étude sont publiés en ligne dans la revue American Chemical Society (ACS) Nanomatériaux appliqués .

Les composites sont construits en couches. Par exemple, les composites polymères sont constitués de couches de fibres, comme les fibres de carbone ou le Kevlar, et une matrice polymère. Cette structure en couches est à l'origine de la faiblesse des composites. Tout dommage aux couches provoque des fractures, un processus techniquement connu sous le nom de délaminage.

Pour augmenter la résistance et donner aux composites en fibre de carbone d'autres qualités souhaitables, comme la conductivité électrique et thermique, des nanotubes de carbone sont souvent ajoutés. Cependant, les procédés chimiques utilisés pour incorporer les nanotubes de carbone dans ces composites provoquent souvent l'agglutination des nanoparticules, réduisant l'avantage global de l'ajout de ces particules.

"Le problème avec les nanoparticules est similaire à ce qui se passe lorsque vous ajoutez de la poudre de café grossière au lait :la poudre s'agglomère ou colle les unes aux autres, " a déclaré le Dr Amir Asadi, professeur adjoint au Département de technologie du génie et de distribution industrielle. « Pour profiter pleinement des nanotubes de carbone, ils doivent d'abord être séparés les uns des autres, et ensuite conçu d'une manière ou d'une autre pour aller à un endroit particulier dans le composite en fibre de carbone. »

Pour faciliter la répartition uniforme des nanotubes de carbone, Asadi et son équipe se sont tournés vers les nanocristaux de cellulose, un composé facilement obtenu à partir de pâte de bois recyclée. Ces nanocristaux ont des segments sur leurs molécules qui attirent l'eau et d'autres segments qui sont repoussés par l'eau. Cette structure moléculaire unique offre la solution idéale pour construire des composites à l'échelle nanométrique, dit Asadi.

La partie hydrophobe des nanocristaux de cellulose se lie aux fibres de carbone et les ancre sur la matrice polymère. D'autre part, les parties attractives pour l'eau des nanocristaux aident à disperser uniformément les fibres de carbone, un peu comme le sucre, qui est hydrophile, se dissout uniformément dans l'eau plutôt que de s'agglomérer et de se déposer au fond d'une tasse.

Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un chiffon en fibre de carbone disponible dans le commerce. A ce tissu, ils ont ajouté une solution aqueuse de nanocristaux de cellulose et de nanotubes de carbone, puis ont appliqué de fortes vibrations pour mélanger tous les éléments ensemble. Finalement, ils ont laissé le matériau sécher et y ont étalé de la résine pour former progressivement le composite polymère revêtu de nanotubes de carbone.

Après examen d'un échantillon du composite par microscopie électronique, Asadi et son équipe ont observé que les nanocristaux de cellulose attachés aux pointes des nanotubes de carbone, orienter les nanotubes dans la même direction. Ils ont également découvert que les nanocristaux de cellulose augmentaient la résistance du composite à la flexion de 33 % et sa résistance interlaminaire de 40 % en mesurant les propriétés mécaniques du matériau sous une charge extrême.

"Dans cette étude, nous avons adopté l'approche de concevoir les composites à l'échelle nanométrique en utilisant des nanocristaux de cellulose. Cette méthode nous a permis d'avoir plus de contrôle sur les propriétés des composites polymères qui émergent à l'échelle macro, " a déclaré Asadi. " Nous pensons que notre technique est une voie à suivre pour intensifier le traitement des composites hybrides, qui sera utile pour une variété d'industries, y compris la construction aérienne et automobile."