Synergistic Dual-Reinforcement of Carbon Fiber/Polycarbonate Thermoplastic Composites via Molecularly Designed Interfacial Modification and Interlaminar Nano-Bridging
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि आणविक रूप से डिज़ाइन किए गए पॉलीसिलोक्सेन इंटरफेशियल संशोधन और इंटरलैमिनर MWCNT/PC नैनो-ब्रिजिंग को संयोजित करने वाली एक सहक्रियात्मक दोहरी-सुदृढीकरण रणनीति, कार्बन फाइबर/पॉलीकार्बोनेट थर्मोप्लास्टिक कंपोजिट की यांत्रिक शक्ति, इंटरफेशियल आसंजन और तापीय स्थिरता को महत्वपूर्ण रूप से बढ़ाती है और साथ ही पूर्णतः पुनर्चक्रण योग्य, उच्च-प्रदर्शन वाले औद्योगिक अनुप्रयोगों को सक्षम बनाती है।
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मजबूत, हल्के वजन वाली सामग्रियां आधुनिक इंजीनियरिंग की रीढ़ हैं, जो हवाई जहाजों को अधिक ऊंचाई तक उड़ने और कारों को कम ईंधन में अधिक दूरी तक चलने में सक्षम बनाती हैं। दशकों से, इनमें सबसे मजबूत सामग्रियां एक दो-भाग वाली प्रणाली पर निर्भर रही हैं: कार्बन फाइबर के अविश्वसनीय रूप से पतले धागे जो कंकाल के रूप में कार्य करते हैं, और एक कठोर प्लास्टिक रेज़िन जो गोंद का काम करता है। पारंपरिक रूप से, यह गोंद एक 'थर्मोसेट' था, जो एक ऐसे प्लास्टिक का प्रकार है जो पके हुए अंडे की तरह जम जाता है; यह पत्थर जैसा कठोर हो जाता है और इसे दोबारा पिघलाया नहीं जा सकता। हालांकि यह मजबूत होता है, लेकिन इसकी यह स्थायी प्रकृति पुनर्चक्रण (रीसाइक्लिंग) को लगभग असंभव बना देती है, जिससे कचरे का एक बढ़ता हुआ ढेर खड़ा हो जाता है। वैज्ञानिक लंबे समय से जिस समाधान की तलाश में थे, वह इस स्थायी गोंद को एक 'थ्रोमोप्लास्टिक' से बदलना है, जो एक ऐसी सामग्री है जिसे मोम के क्रेयॉन की तरह पिघलाया, नया आकार दिया और पुन: उपयोग किया जा सकता है। हालांकि, यह बदलाव करना कठिन रहा है क्योंकि आज बिकने वाले कार्बन फाइबर पहले से ही एक रासायनिक परत के साथ आते हैं जो पुराने, स्थायी गोंद के लिए डिज़ाइन की गई होती है। जब ये फाइबर नए, पिघलने योग्य प्लास्टिक से मिलते हैं, तो वे आपस में ठीक से जुड़ने से इनकार कर देते हैं, जिससे अंतिम सामग्री कमजोर हो जाती है और टूटने की संभावना बढ़ जाती है।
ताइवान के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस जिद्दी असंगति को ठीक करने के लिए एक चतुर दो-भाग वाली रणनीति विकसित की है, जिससे एक नए प्रकार का कंपोजिट तैयार हुआ है जो अविश्वसनीय रूप से मजबूत और पूरी तरह से पुनर्चक्रण योग्य है। उनका दृष्टिकोण इस समस्या से दो अलग-अलग स्तरों पर निपटता है: व्यक्तिगत रेशों की सतह और उनके बीच की परतें। सबसे पहले, उन्होंने कार्बन फाइबर से कारखाने द्वारा लगाई गई कोटिंग को हटा दिया और उसके स्थान पर एक कस्टम-डिज़ाइन की गई रासायनिक परत लगा दी। यह नई परत एक आणविक पुल (मॉलिक्यूलर ब्रिज) की तरह कार्य करती है, जो पॉलीकार्बोनेट प्लास्टिक मैट्रिक्स के साथ रासायनिक रूप से जुड़ जाती है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि फाइबर और गोंद एक एकल इकाई के रूप में कार्य करें, न कि एक-दूसरे से अलग होकर फिसलें। दूसरा, उन्होंने सामग्री के स्टैक के बिल्कुल बीच में कार्बन नैनोट्यूब्स—जो कि नैनो-आकार की, ट्यूब जैसी कार्बन संरचनाएं हैं—की एक सूक्ष्म शीट डाली। यह शीट एक सुरक्षा जाल की तरह कार्य करती है, जो दरारों को फैलने और सामग्री को फाड़ने से पहले ही उन्हें पकड़ लेती है।
शोधकर्ताओं ने इस नई सामग्री का परीक्षण एक रोबोटिक प्रणाली का उपयोग करके किया जो रेशों को स्वचालित रूप से बिछाती है, जो बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक आवश्यक विधि है। उन्होंने पाया कि नए फाइबर कोटिंग और आंतरिक नैनोट्यूब शीट के संयोजन ने एक ऐसी सामग्री बनाई जो बिना संशोधित संस्करण की तुलना में काफी अधिक मजबूत थी। विशेष रूप से, नया कंपोजिट टूटने से पहले 23 प्रतिशत अधिक खींचने वाले बल (पुलिंग फोर्स), 25 प्रतिशत अधिक झुकने वाले बल (बेंडिंग फोर्स) और अपनी परतों के बीच 23 प्रतिशत अधिक फिसलने वाले बल (स्लाइडिंग फोर्स) को सहन कर सकता है। उनकी सफलता का रहस्य इस बात में छिपा है कि सामग्री कैसे विफल होती है। पुराने, बिना संशोधित संस्करणों में, फाइबर बस प्लास्टिक से बाहर निकल आते थे, जिससे एक साफ, खाली छेद रह जाता था। नए संस्करण में, फाइबर और प्लास्टिक के बीच का बंधन इतना मजबूत हो गया कि सामग्री को तोड़ने के लिए प्लास्टिक को खुद फटना और खिंचना पड़ता है, जो कि एक ऐसी प्रक्रिया है जो बहुत अधिक ऊर्जा सोख लेती है।
न केवल अधिक मजबूत होने के अलावा, इस नई सामग्री ने गर्मी को भी बेहतर तरीके से संभाला। अत्यधिक तापमान के संपर्क में आने पर, इस दोहरी-सुदृढ़ संरचना ने उस बिंदु को लगभग 20 डिग्री सेल्सियस तक विलंबित कर दिया जहाँ प्लास्टिक टूटने लगता है। यह सुधार इसलिए हुआ क्योंकि नैनोट्यूब का नेटवर्क सामग्री के भीतर एक घुमावदार, भूलभुलैया जैसा रास्ता बनाता है, जिससे गर्म होते प्लास्टिक से निकलने वाली गैसों का बाहर निकलना बहुत कठिन हो जाता है। क्षरण (डिग्रेडेशन) में यह सरल देरी यह संकेत देती है कि यह सामग्री इस प्रकार के प्लास्टिक के लिए पहले से सोची गई तुलना में गर्म वातावरण में भी जीवित रह सकती है।
अध्ययन में यह भी पता लगाया गया कि प्लास्टिक रेज़िन की मोटाई और प्रवाह अंतिम उत्पाद को कैसे प्रभावित करता है। उन्होंने पाया कि नया फाइबर कोटिंग तब सबसे अच्छा काम करता है जब प्लास्टिक इतना तरल हो कि वह फाइबर के गुच्छे में गहराई तक समा सके और हर छोटे अंतराल को भर सके। यदि प्लास्टिक बहुत गाढ़ा और धीमा गति वाला है, तो वह फाइबर के गुच्छे के केंद्र तक नहीं पहुँच पाता, जिससे कमजोर स्थान रह जाते हैं। हालांकि, इन चुनौतियों के बावजूद, नई विधि ने विभिन्न प्रकार के प्लास्टिक रेज़िनों में मानक सामग्रियों की तुलना में लगातार बेहतर प्रदर्शन किया। यह सिद्ध करके कि इन उन्नत सामग्रियों को स्वचालित, उच्च-गति वाली मशीनरी का उपयोग करके बनाया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने उच्च-प्रदर्शन वाले पुर्जे बनाने का एक स्पष्ट मार्ग दिखाया है जो न केवल हल्के और मजबूत हैं, बल्कि जिन्हें नए उत्पादों के रूप में पिघलाकर फिर से बनाया जा सकता है, जिससे औद्योगिक कचरे के चक्र को पूरा किया जा सके।
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