Cele cinci direcții ale compozitelor de rășini termoplastice modificate cu fibră de carbon.
Fibra de carbon este un material rar de înaltă performanță, iar cercetările asupra acestuia au început cu peste un secol în urmă. Astăzi, tehnologia și dezvoltarea industriei fibrei de carbon au primit sprijin din partea multor țări din întreaga lume. Fibra de carbon în sine este moale și greu de modelat; prin urmare, modificarea și combinarea acestuia cu substraturi precum materiale plastice, rășini, metale și ceramică poate produce performanțe generale superioare și structuri stabile care îndeplinesc cerințele aplicațiilor industriale.
Rășinile modificate cu fibră de carbon sunt un tip de material compozit relativ de succes, compozitele din fibră de carbon termorigide fiind alegerea curentă astăzi. Rășinile utilizate includ rășini epoxidice și rășini fenolice, printre altele. Integrarea rășinilor termoplastice cu fibra de carbon este o provocare; cu toate acestea, performanța generală este mai bună, ceea ce o face o direcție importantă pentru dezvoltarea viitoare a industriei fibrei de carbon. Sub nivelul actual de tehnologie industrială, s-au înregistrat progrese semnificative în cercetarea compozitelor de rășini termoplastice modificate cu fibră de carbon. Numeroase compozite termoplastice armate cu fibră de carbon continuă de înaltă performanță au fost deja dezvoltate cu succes, cum ar fi benzile unidirecționale CF/PPS și CF/PEEK produse de Zhishang New Materials.
1.Compozite din rășină de polipropilenă modificată cu fibră de carbon
Polipropilena (PP) este cel mai utilizat material polimeric în domenii precum automobile și electrocasnice, producția anuală în China depășește 1 milion de tone. Modificarea rășinii de polipropilenă cu fibră de carbon poate îmbunătăți semnificativ rezistența și rigiditatea materialului compozit. În plus, încorporarea fibrei de carbon are, de asemenea, un impact considerabil asupra fluidității și cristalinității materialelor PP.
Materialele PP modificate cu fibre de carbon sunt de obicei prelucrate folosind tehnici de amestecare a topiturii, care includ în principal două metode de prelucrare: extrudarea cu două șuruburi și armarea cu fibre lungi. Proprietățile materialelor modificate sunt influențate de factori precum cantitatea de fibră de carbon adăugată, lungimea fibrei, compatibilizatorii și tratamentul de suprafață al fibrelor.
În prezent, compozitele PP armate cu fibre lungi au fost aplicate pe scară largă în sectoare precum industria auto și cea marina. Cu toate acestea, din cauza compatibilității slabe dintre matricea PP și fibra de carbon, obținerea unor performanțe mecanice ridicate în compozite necesită procese complexe de tratare a suprafeței pentru fibra de carbon, ceea ce crește semnificativ atât costurile de prelucrare, cât și dificultatea.
2.Compozite de rășină cu clorură de polivinil modificată cu fibră de carbon
Clorura de polivinil (PVC) este una dintre cele mai produse rășini de uz general în China, cu avantaje cheie, inclusiv costuri reduse, proprietăți bune de izolare electrică, rezistență chimică excelentă și procese simple de turnare. Cu toate acestea, unele dezavantaje inerente, cum ar fi duritatea slabă, rezistența scăzută la impact și stabilitatea termică și performanța slabă de prelucrare limitează aplicarea acestuia în domenii cu cerințe stricte.
Materialele PVC modificate cu fibră de carbon pot îmbunătăți în mod eficient rezistența la tracțiune, duritatea suprafeței și rezistența la încovoiere a matricei din PVC, făcându-le potrivite pentru producția de diferite foi și țevi din PVC.
Compatibilitatea dintre filamentele din fibră de carbon și matricea PVC este mai bună, rezultând o rezistență la tracțiune, rezistență la încovoiere și rezistență la impact semnificativ îmbunătățite în comparație cu matricea PVC. Datorită stabilității termice slabe a matricei din PVC, metodele de prelucrare, cum ar fi imersarea în topitură sau amestecarea, pot duce cu ușurință la degradarea matricei. Prin urmare, materialele PVC modificate cu fibră de carbon sunt de obicei prelucrate folosind tehnici de laminare.
3.Compozite din rășină policarbonat modificată cu fibră de carbon
Policarbonatul (PC) este un plastic tehnic utilizat pe scară largă, cunoscut pentru rezistența ridicată la impact și transparența bună. Atunci când fibra de carbon este combinată cu PC-ul, poate îmbunătăți și mai mult diferitele proprietăți ale PC-ului și poate extinde domeniile de aplicare ale acestuia.
Cercetările au arătat că atunci când cantitatea de fibră de carbon adăugată este sub 20%, există o îmbunătățire semnificativă a rezistenței la tracțiune, rezistența la încovoiere și modulul de încovoiere al materialului. Rezistența la impact atinge maximul atunci când conținutul de fibră de carbon este de aproximativ 6%. Când conținutul de fibră de carbon este între 10% și 20%, rezistivitatea de suprafață a materialului poate ajunge la 8×10^9 Ω·cm, oferind proprietăți antistatice excelente.
Compozitul de policarbonat (PC) cu fibră de carbon poate conferi, de asemenea, proprietăți de ecranare electromagnetică matricei polimerice; cu toate acestea, eficiența de ecranare nu este foarte mare. Pentru a obține eficacitatea de ecranare necesară a materialelor standard de ecranare electromagnetică, este necesar să se adauge alte fibre metalice sau pulberi de înaltă conductivitate. Fibra de carbon sau fibra de carbon acoperită cu metal, atunci când sunt combinate cu pulberi metalice, grafen, negru de fum conductiv etc., pot juca un rol de legătură în materialul compozit, îmbunătățind astfel performanța de ecranare electromagnetică.
4.Compozite cu rășină poliamidă modificată cu fibră de carbon
Poliamida (PA) este un plastic de inginerie excelent, dar datorită cristalinității sale ridicate și absorbției semnificative a umidității, stabilitatea dimensională a produselor realizate din acest material este slabă, iar rezistența și duritatea sa nu se potrivesc cu cele ale metalelor. În aplicațiile practice, aceste materiale necesită adesea armare cu fibră de sticlă sau fibră de carbon.
După ce au fost întărite și modificate cu fibră de carbon, proprietățile mecanice ale PA pot fi mult îmbunătățite. Materialul modificat poate servi atât ca material structural pentru a suporta sarcini, cât și ca material funcțional. În prezent, majoritatea cercetărilor privind PA modificată cu fibre de carbon se concentrează pe efectele modificării suprafeței fibrelor de carbon asupra interfeței și performanței compozitelor.
Studiile au arătat că tratamentul prin oxidare a suprafeței fibrei de carbon îmbunătățește rezistența de legare între fibra de carbon și PA1010. Pe măsură ce fracția de volum a fibrei de carbon crește, rezistența la tracțiune și duritatea Rockwell ale compozitului cresc inițial și apoi descresc. Când fracția de volum a fibrei de carbon atinge 20%, rezistența la tracțiune a materialului atinge valoarea maximă. În plus, coeficientul de frecare al materialului scade odată cu creșterea fracției de volum a fibrei de carbon, stabilizându-se la aproximativ 0,24 atunci când fracția de volum a fibrei de carbon ajunge la 20%.
5.Compozite plastice speciale modificate cu fibră de carbon
Materialele plastice speciale de inginerie se referă la cele cu performanțe generale mai ridicate și temperaturi de serviciu pe termen lung peste 150 de grade. Aceste materiale includ în principal PEEK, PPS, TPI și altele. Majoritatea materialelor plastice speciale pot servi ca materiale de matrice pentru compozitele termoplastice armate cu fibră de sticlă, fibră de carbon și fibră aramidă. Materialele plastice speciale armate cu fibră de carbon posedă proprietăți mecanice excelente și performanțe de procesare, permițându-le să înlocuiască complet rășinile termostabilizate sau chiar metalele în aplicații precum aerospațial, maritim și medical.
A. Polieter etercetonă armată cu fibră de carbon (PEEK)este în prezent cel mai înalt termoplastic rezistent la temperatură, cu o temperatură de utilizare pe termen lung de până la 250 de grade. Chiar și la temperaturi de până la 300 de grade, își menține proprietăți mecanice foarte bune. PEEK modificat cu fibră de carbon nu numai că sporește rezistența și rigiditatea materialului, dar conferă și caracteristici de conductivitate și rezistență la uzură.
B. Poliimidă termoplastică (TPI)prezintă o stabilitate termică remarcabilă, împreună cu o rezistență excelentă la impact, rezistență la radiații și rezistență la solvenți. Mai mult, acest tip de material demonstrează o rezistență excepțională la uzură în medii extreme caracterizate prin temperaturi ridicate, presiuni variate și viteze mari. Aplicarea armăturii cu fibră de carbon poate îmbunătăți și mai mult performanța acestor materiale și poate extinde domeniul de aplicare a acestora.
C. Sulfura de polifenilen (PPS)este o rășină termoplastică semi-cristalină cunoscută pentru proprietățile sale mecanice excelente, rezistența chimică și caracteristicile de auto-stingere. În plus, acest tip de material prezintă o bună compatibilitate cu mineralele anorganice și fibrele organice, făcându-l potrivit pentru prepararea diferitelor compozite cu conținut ridicat de umplutură. Compozitele PPS din fibră de carbon termoplastică prezintă proprietăți mecanice bune și rezistență excelentă la solvenți. Performanța de aderență între PPS și fibra de carbon este de asemenea excelentă; cu toate acestea, toate proprietățile mecanice sunt influențate semnificativ de fracția de volum a țesăturii din fibră de carbon. Când fracția de volum a țesăturii din fibră de carbon este sub 50%, toate proprietățile mecanice ale compozitului se îmbunătățesc substanțial cu o creștere a fracției de volum a țesăturii din fibră de carbon.
Diferite tipuri de rășini termoplastice prezintă grade diferite de performanță atunci când sunt integrate cu fibră de carbon și există, de asemenea, diferențe în ceea ce privește prepararea și prelucrarea ulterioară. Doar printr-o experimentare continuă pot fi găsite soluțiile optime, propulsând întreaga industrie a fibrei de carbon în etapa următoare. În prezent, s-a demonstrat că mai multe compozite termoplastice din fibră de carbon, cum ar fi CF/PPS și CF/PEEK, au performanțe bune în ceea ce privește performanța, producția și reciclarea, făcându-le zone importante pentru cercetare și dezvoltare aprofundată pe termen scurt. În ultimii ani, Zhi Shang New Materials a lucrat pentru a integra mai bine fibrele de carbon continue cu aceste rășini termoplastice pentru a crea benzi unidirecționale cu forme fizice mai stabile și proprietăți mecanice superioare. Odată cu progresele în tehnologie și ajustările echipamentelor, a fost stabilită capacitatea de producție în masă a unor astfel de produse.
