美国利用回收木浆增强复合材料 抗弯力提高33%/强度提高40%

增强型聚合物加上超细的碳纤维就成为一种“轻如羽毛、坚固如钢铁”的复合材料，让其可以应用于多个行业。现在，增加一种碳纳米管则可以进一步提升此种复合材料的功能，但是集成碳纳米管的化学工艺会导致碳纳米管在复合材料中扩散不均匀，限制其最终可以实现的强度和其他有用的性能。

（图片来源：德州农工大学）

不过，据外媒报道，美国德州农工大学（Texas A&M University）的研究人员采用了一种称作纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystal）的天然植物产品，将碳纳米管均匀地固定和包裹在碳纤维复合材料上。研究人员表示，他们的方法比传统方法速度更快，而且可以用于设计纳米大小的碳纤维复合材料。

复合材料都是分层构建的，例如，聚合物复合材料由纤维层（如碳纤维或芳纶纤维）以及聚合物基质制成。此种分层结构也是复合材料弱点的根源，分层的任何损伤都会导致裂缝，导致脱层（delamination）。

为了提高碳纤维材料的强度并实现其他理想的性能，例如电导率和导热率，通常都会添加碳纳米管。然而，在复合材料中添加碳纳米管的化学工艺经常导致纳米颗粒聚集，降低了此类颗粒的整体效益。

研究人员表示：“这个问题就跟把粗咖啡粉加入牛奶一样，粉末会互相粘在一起。为了充分利用碳纳米管，首先需要让它们彼此分离，再以某种方式，让其集成到碳纤维复合材料中的特定位置。”

（图片来源：德州农工大学）

为了让碳纳米管均匀分布，研究人员开始研究纤维素纳米晶体，此种化学物可以轻易从回收木浆中获取，既有吸水分子，也有排水分子，此种独特的分子结构使其成为一种理想的解决方案，可以打造纳米复合材料。

纤维素纳米晶体的疏水部分与碳纤维结合，并将其固定在聚合物基质上。此外，吸水部分有助于均匀地分散碳纤维，就像糖在水中均匀溶解，而不是结块沉到杯底。

在实验中，研究人员采用了一种商用碳纤维布。在这块布中，加入了纤维素纳米晶体和碳纳米管制成的水溶液，然后利用强振动，将它们混合在一起。最后，将材料干燥，并在上面散布树脂，以逐渐形成涂覆碳纳米管的聚合物复合材料。

之后，研究人员用电子显微镜检查了该复合材料样品，发现纤维素纳米晶体附着在碳纳米管的尖端，让碳纳米管也朝着相同的方向。此外，根据对材料在极端载荷下力学性能的测试，还发现，纤维素纳米晶体让复合材料的抗弯能力提高了33%，层间强度提高了40%。

研究人员表示：“在该项研究中，我们采用了从纳米尺度设计复合材料的方法，从而可以让我们从宏观上更好地控制聚合物复合材料的性能。我们认为，我们的技术可以扩大混合复合材料的加工规模，对航空和汽车制造等很多行业带来好处。”