Oamenii de știință produc compozite pe bază de plante mai dure decât metalul

Oamenii de știință produc compozite pe bază de plante mai dure decât metalul

O echipă MIT a proiectat un material compozit pe bază de plante folosind CNC-uri care reprezintă între 60% -90% din material. Dacă este scalabil, materialul ar putea prezenta o oportunitate de a fabrica polimeri naturali mai durabili. Detaliile complete ale cercetării sunt publicate în jurnal Celuloză.

Studiu: Compozite celuloză-epoxidice nanocristalină imprimabile, turnabile, care prezintă o întărire ierarhică asemănătoare soluției. Credit imagine: GoodStudio / Shutterstock.com

Celuloza este o componentă structurală esențială care se găsește în peretele celular primar al majorității plantelor verzi, al tipurilor de alge și chiar în unele specii de bacterii. Acest lucru îl face cel mai abundent polimer din natură și este folosit în mod obișnuit pentru a produce hârtie derivată din pastă de lemn și surse de bumbac.

Acum, un grup de cercetători de la MIT a reușit să deblocheze proprietățile unice ale nanocristalelor de celuloză (CNC), lanțuri de polimeri organici auto-organizați aranjați în modele de cristal. CNC-urile se găsesc în fibrele de celuloză și la scară nanometrică demonstrează o duritate și o rigiditate excepționale, depășind chiar și Kevlarul și aluminiul potrivit.

Mai dur decât osul și mai dur decât metalul

La proiectarea noului compozit bazat pe CNC, echipa MIT a descoperit că materialul era mai dur decât osul și mai dur decât unele metale, inclusiv aliajele de aluminiu. Compoziția structurală a materialului seamănă foarte mult cu „nacru”, cunoscută și sub numele de sidef, care este un compozit organic-anorganic găsit pe stratul interior al cochiliei unor moluște.

Asemenea nacrui, microstructura compozitului de celuloză preia o structură lamelară din cărămidă și mortar: Nanocompozitele pe bază de minerale, cum ar fi nacru, smalțul și osul, obțin rezistență și duritate ridicate prin microstructuri optimizate care permit rezistența la deteriorare ierarhică explică coautor profesorul A. John Hart.

În plus, echipa a demonstrat și capacitatea de a fabrica materialul pe bază de CNC prin fabricarea aditivă (imprimare 3D) și prin metode tradiționale de turnare. Ei au putut să imprime și să turneze materialul în filme mici de tip lentilă pentru testare.

Rigiditatea, duritatea și duritatea la rupere ale compozitelor CNC le depășesc pe cele ale multor polimeri de inginerie

Profesorul A. John Hart, coautor, MIT

Dacă echipa ar putea produce cantități semnificative de material, atunci compozitele pe bază de plante ar fi probabil o perspectivă mai bună pentru mediu, având în vedere impactul pe care plasticul sintetic îl are asupra planetei.

Reconstituirea Abundenței Naturii

Datorită abundenței naturale a celulozei, cercetătorii au explorat diferite utilizări potențiale pentru nanocristalele de celuloză care sunt ușor extrase prin hidroliză acidă. Cu toate acestea, cantitățile pe care le-au putut extrage nu s-au potrivit cu cantitatea încorporată în compozitele anterioare.

Problemele care împiedică dezvoltarea au inclus tendința cristalelor CNC de a forma aglomerate atunci când se leagă cu molecule de polimer sintetic care au produs materiale slabe, cu performanțe slabe. Cu toate acestea, echipa MIT a decis să mărească cantitatea de CNC-uri din compozitul lor, care ar putea fi modelate în forme durabile, cu rezistență și duritate ridicate.

Odată ce au dezvoltat un raport adecvat de CNC și polimer sintetic, echipa a reușit să producă un compozit care ar putea fi turnat într-o turnare sau alimentat printr-o duză de imprimantă 3D. Această deconstrucție și reconstrucția ulterioară a materialelor celulozice este o aplicație nouă a materialelor pe bază de plante.

Pentru orice bulgări care s-au format în gel, echipa a aplicat un sonicator cu sondă pentru a dispersa CNC-urile prin material pentru o legătură optimă cu materialul sintetic: Procesul de dispersie a CNC-urilor în gel este esențial pentru a evita precipitarea agregatelor mari de CNC-uri și separarea fazelor explică Hart.

Îmbunătățirea procesului de întărire

Odată ce materialele au fost fie imprimate, fie turnate, acestea au fost lăsate să se întărească și să se usuce formând compozitele solide, dure, care au demonstrat proprietățile excelente de rezistență similare cu nacre. Proprietățile de duritate și rigiditate ale materialului îl fac unic în sensul că ar putea fi format în același mod ca multe materiale plastice, demonstrând în același timp performanța aliajelor metalice.

Adăugarea unor fracții semnificative de CNC la polimerii pe bază de petrol poate îmbunătăți proprietățile mecanice și poate reduce impactul asupra mediului al acestor materiale omniprezente. spuse Hart.

Unul dintre lucrurile pe care cercetătorii le-au observat în timpul procesului de întărire a materialului compozit pe bază de plante a fost că acesta avea tendința de a se micșora. Deși aceasta nu este o problemă majoră la scară mică, ar putea prezenta probleme pentru fabricarea de obiecte și forme mai mari, deoarece le-ar putea cauza despicarea sau crăparea la întărire.

Prin urmare, în timp ce materialul prezintă o oportunitate interesantă de a înlocui într-o zi materialele plastice la scară mai mare, cercetătorii vor trebui mai întâi să găsească modalități de a îmbunătăți procesul de întărire al compozitului bazat pe CNC pentru a evita problemele de contracție și a face materialul scalabil.

Referințe

Rao, A., Divoux, T., Owens, CE et al. Compozite de celuloză-epoxidice nanocristalină imprimabile, turnabile, care prezintă o întărire ierarhică asemănătoare soluției. Celuloză (2022). https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-021-04384-7

Disclaimer: Opiniile exprimate aici sunt cele ale autorului exprimate în calitatea lor privată și nu reprezintă neapărat punctele de vedere ale AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, proprietarul și operatorul acestui site web. Această declinare a răspunderii face parte din Termenii și condițiile de utilizare a acestui site web.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.