Tecnologia Científica

Nanocristais de resíduos de madeira reciclada tornam os compostos de fibra de carbono mais resistentes
Em um novo estudo, os pesquisadores da Texas A&M University usaram um produto vegetal natural, chamado nanocristais de celulose , para fixar e revestir nanotubos de carbono uniformemente sobre os compostos de fibra de carbono.
Por Vandana Suresh - 12/08/2020


Micrografia eletrônica de nanocristais celulares nas fibras de carbono. Crédito: Dr. Amir Asadi / Texas A&M University College of Engineering

Polímeros reforçados com fios ultrafinos de fibras de carbono sintetizam materiais compostos que são "leves como uma pena e fortes como o aço", o que os torna aplicações versáteis em vários setores. Adicionar materiais chamados nanotubos de carbono pode aumentar ainda mais a funcionalidade dos compósitos. Mas os processos químicos usados ​​para incorporar nanotubos de carbono acabam espalhando-os de forma desigual nos compósitos, limitando a resistência e outras qualidades úteis que podem ser finalmente alcançadas.

Em um novo estudo, os pesquisadores da Texas A&M University usaram um produto vegetal natural, chamado nanocristais de celulose , para fixar e revestir nanotubos de carbono uniformemente sobre os compostos de fibra de carbono. Os pesquisadores disseram que o método prescrito é mais rápido do que os métodos convencionais e também permite o projeto de compostos de fibra de carbono em nanoescala.

Os resultados do estudo foram publicados on-line na revista American Chemical Society (ACS) Applied Nano Materials .

Os compostos são construídos em camadas. Por exemplo, compósitos de polímero são feitos de camadas de fibra, como fibras de carbono ou Kevlar, e uma matriz de polímero. Essa estrutura em camadas é a fonte da fraqueza dos compósitos. Qualquer dano às camadas causa fraturas, um processo tecnicamente conhecido como delaminação.

Para aumentar a resistência e dar aos compostos de fibra de carbono outras qualidades desejáveis, como condutividade elétrica e térmica, são frequentemente adicionados nanotubos de carbono. No entanto, os processos químicos usados ​​para incorporar os nanotubos de carbono nesses compostos muitas vezes fazem com que as nanopartículas se aglutinem, reduzindo o benefício geral da adição dessas partículas.

Esquema mostrando como os nanocristais celulares ajudam a distribuir uniformemente
os nanotubos de carbono nos compósitos de fibra de carbono. Crédito: Dr. Amir Asadi /
Texas A&M University College of Engineering

"O problema com as nanopartículas é semelhante ao que acontece quando você adiciona café em pó grosso ao leite - o pó aglomera-se ou cola-se um ao outro", disse o Dr. Amir Asadi, professor assistente do Departamento de Tecnologia de Engenharia e Distribuição Industrial. "Para tirar o máximo proveito dos nanotubos de carbono, eles precisam ser separados um do outro primeiro e, em seguida, de alguma forma projetados para ir a um local específico dentro do composto de fibra de carbono."

Para facilitar a distribuição uniforme dos nanotubos de carbono, Asadi e sua equipe se voltaram para os nanocristais de celulose , um composto facilmente obtido da polpa de madeira reciclada. Esses nanocristais têm segmentos em suas moléculas que atraem água e outros segmentos que são repelidos pela água. Esta estrutura molecular única oferece a solução ideal para construir compósitos em nanoescala, disse Asadi.
 
A parte hidrofóbica dos nanocristais de celulose se liga às fibras de carbono e as ancora na matriz polimérica. Por outro lado, as porções atraentes de água dos nanocristais ajudam a dispersar as fibras de carbono uniformemente, da mesma forma que o açúcar, que é hidrofílico, se dissolve na água de maneira uniforme, em vez de se aglomerar e se estabelecer no fundo de uma xícara.

Para seus experimentos, os pesquisadores usaram um pano de fibra de carbono disponível comercialmente. A este pano, eles adicionaram uma solução aquosa de nanocristais de celulose e nanotubos de carbono e, em seguida, aplicaram forte vibração para misturar todos os itens juntos. Finalmente, eles deixaram o material secar e espalhar resina sobre ele para formar gradualmente o composto de polímero revestido com nanotubo de carbono .

Ao examinar uma amostra do compósito por meio de microscopia eletrônica, Asadi e sua equipe observaram que os nanocristais de celulose se fixam nas pontas dos nanotubos de carbono, orientando os nanotubos na mesma direção. Eles também descobriram que os nanocristais de celulose aumentaram a resistência do compósito à flexão em 33% e sua resistência interlaminar em 40% com base na medição das propriedades mecânicas do material sob carga extrema.

"Neste estudo, adotamos a abordagem de projetar os compósitos em nanoescala usando nanocristais de celulose. Esse método nos permitiu ter mais controle sobre as propriedades dos compósitos poliméricos que emergem na macroescala", disse Asadi. "Acreditamos que nossa técnica é um caminho a seguir na ampliação do processamento de compósitos híbridos, que serão úteis para uma variedade de indústrias, incluindo a indústria aérea e automobilística."

 

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