Пет праваца термопластичних композита модификованих карбонским влакнима.
Карбонска влакна су редак материјал високих перформанси, а истраживања о њима су почела пре више од једног века. Данас су технологија и индустријски развој карбонских влакана добили подршку многих земаља широм света. Сама карбонска влакна су мекана и тешко их је обликовати; стога, модификовање и комбиновање са подлогама као што су пластика, смоле, метали и керамика може дати супериорне укупне перформансе и стабилне структуре које испуњавају захтеве индустријске примене.
Смоле модификоване карбонским влакнима су релативно успешан тип композитног материјала, са термореактивним композитима од угљеничних влакана који су данас главни избор. Смоле које се користе укључују епоксидне смоле и фенолне смоле, између осталог. Интеграција термопластичних смола са карбонским влакнима је изазовна; међутим, укупни учинак је бољи, што га чини важним правцем за будући развој индустрије угљеничних влакана. Под садашњим нивоом индустријске технологије, значајан напредак је направљен у истраживању термопластичних смола композита модификованих угљеничним влакнима. Већ су успешно развијени бројни континуирани термопластични композити високих перформанси ојачани угљеничним влакнима, као што су ЦФ/ППС и ЦФ/ПЕЕК једносмерне траке које производи Зхисханг Нев Материалс.
1. Композити полипропиленске смоле модификовани угљеничним влакнима
Полипропилен (ПП) је најраспрострањенији полимерни материјал у областима као што су аутомобилски и кућни апарати, са годишњом производњом у Кини која прелази милион тона. Модификовање полипропиленске смоле карбонским влакнима може значајно побољшати снагу и крутост композитног материјала. Поред тога, уградња угљеничних влакана такође има значајан утицај на течност и кристалност ПП материјала.
ПП материјали модификовани карбонским влакнима се обично обрађују коришћењем техника мешања талине, које углавном укључују две методе обраде: екструзију са два вијка и ојачање дугим влакнима. На својства модификованих материјала утичу фактори као што су количина додатих угљеничних влакана, дужина влакана, компатибилизатори и површински третман влакана.
Тренутно, ПП композити ојачани дугим влакнима имају широку примену у секторима као што су аутомобилска и поморска индустрија. Међутим, због лоше компатибилности између ПП матрице и угљеничних влакана, постизање високих механичких перформанси у композитима захтева сложене процесе површинске обраде угљеничних влакана, што значајно повећава и трошкове обраде и потешкоће.
2. Композити поливинилхлорид смоле модификовани угљеничним влакнима
Поливинилхлорид (ПВЦ) је једна од најчешће произведених смола опште намене у Кини, са кључним предностима укључујући ниску цену, добра својства електричне изолације, одличну хемијску отпорност и једноставне процесе обликовања. Међутим, неки инхерентни недостаци као што су лоша жилавост, ниска чврстоћа на удар и термичка стабилност, и лоша перформанса обраде ограничавају његову примену у областима са строгим захтевима.
ПВЦ материјали модификовани карбонским влакнима могу ефикасно да побољшају затезну чврстоћу, површинску тврдоћу и чврстоћу на савијање ПВЦ матрице, чинећи их погодним за производњу различитих ПВЦ листова и цеви.
Компатибилност између филамената од угљеничних влакана и ПВЦ матрице је боља, што резултира значајно побољшаном затезном чврстоћом, чврстоћом на савијање и ударном чврстоћом у поређењу са ПВЦ матрицом. Због слабе термичке стабилности ПВЦ матрице, методе обраде као што су урањање у растопљени слој или мешање могу лако довести до деградације матрице. Стога се ПВЦ материјали модификовани карбонским влакнима обично обрађују техникама ламинирања.
3. Композити од поликарбонатних смола модификованих угљеничним влакнима
Поликарбонат (ПЦ) је широко коришћена инжењерска пластика позната по својој високој ударној чврстоћи и доброј транспарентности. Када се карбонска влакна комбинују са ПЦ-ом, она могу додатно побољшати различита својства ПЦ-а и проширити поља његове примене.
Истраживања су показала да када је количина додатог угљеничних влакана испод 20%, долази до значајног побољшања затезне чврстоће, чврстоће на савијање и модула савијања материјала. Чврстоћа на удар достиже свој максимум када је садржај угљеничних влакана око 6%. Када је садржај угљеничних влакана између 10% и 20%, површинска отпорност материјала може да достигне 8×10^9 Ω·цм, пружајући одлична антистатичка својства.
Композит поликарбоната (ПЦ) са угљеничним влакнима такође може дати електромагнетна својства заштите полимерној матрици; међутим, ефикасност заштите није веома висока. Да би се постигла потребна ефективност заштите стандардних електромагнетних материјала за заштиту, потребно је додати друга метална влакна или прах високе проводљивости. Угљична влакна или угљенична влакна обложена металом, када се помешају са металним прахом, графеном, проводљивом чађом, итд., могу играти улогу премошћавања у композитном материјалу, чиме се побољшавају перформансе електромагнетне заштите.
4.Композити модификованих полиамидном смолом од угљеничних влакана
Полиамид (ПА) је одлична инжењерска пластика, али због високе кристалности и значајног упијања влаге, димензионална стабилност производа од овог материјала је лоша, а његова чврстоћа и тврдоћа не одговарају металима. У практичним применама, ови материјали често захтевају појачање стакленим или угљеничним влакнима.
Након што је ојачан и модификован угљеничним влакнима, механичка својства ПА могу бити знатно побољшана. Модификовани материјал може послужити и као конструкцијски материјал за подношење оптерећења и као функционални материјал. Тренутно се већина истраживања ПА модификованог угљеничним влакнима фокусира на ефекте модификације површине угљеничних влакана на интерфејс и перформансе композита.
Студије су показале да оксидациони третман површине угљеничних влакана побољшава снагу везе између угљеничних влакана и ПА1010. Како се запремински удео угљеничних влакана повећава, затезна чврстоћа и тврдоћа по Роцквеллу композита се у почетку повећавају, а затим смањују. Када запремински удео угљеничних влакана достигне 20%, затезна чврстоћа материјала достиже своју максималну вредност. Поред тога, коефицијент трења материјала опада са повећањем запреминског удела угљеничних влакана, стабилизујући се на око 0,24 када запремински удео угљеничних влакана достигне 20%.
5. Угљеничним влакнима модификовани специјални инжењерски пластични композити
Специјалне инжењерске пластике се односе на оне са већим укупним перформансама и дуготрајним радним температурама изнад 150 степени. Ови материјали углавном укључују ПЕЕК, ППС, ТПИ и друге. Већина специјалне инжењерске пластике може послужити као матрични материјал за термопластичне композите ојачане стакленим влакнима, угљеничним влакнима и арамидним влакнима. Специјалне инжењерске пластике ојачане карбонским влакнима поседују одличне механичке особине и перформансе обраде, што им омогућава да у потпуности замене термо-везујуће смоле или чак метале у апликацијама као што су ваздухопловство, поморство и медицина.
A. Полиетер етер кетон ојачан карбонским влакнима (ПЕЕК)је тренутно највиша температурно отпорна термопластика, са температуром дуготрајне употребе до 250 степени. Чак и на температурама до 300 степени, одржава веома добра механичка својства. ПЕЕК модификован карбонским влакнима не само да повећава снагу и крутост материјала, већ и даје карактеристике проводљивости и отпорности на хабање.
B. Термопластични полиимид (ТПИ)показује изузетну термичку стабилност, заједно са одличном отпорношћу на удар, отпорност на зрачење и отпорност на раствараче. Штавише, овај тип материјала показује изузетну отпорност на хабање у екстремним окружењима које карактеришу високе температуре, различити притисци и велике брзине. Примена ојачања карбонским влакнима може додатно побољшати перформансе ових материјала и проширити опсег њихове примене.
C. полифенилен сулфид (ППС)је полукристална термопластична смола позната по својим одличним механичким својствима, хемијској отпорности и самогасивим карактеристикама. Поред тога, овај тип материјала показује добру компатибилност са неорганским минералима и органским влакнима, што га чини погодним за припрему различитих композита са високим садржајем пунила. ППС композити од термопластичних угљеничних влакана показују добра механичка својства и одличну отпорност на раствараче. Перформансе везивања између ППС-а и угљеничних влакана су такође одличне; међутим, на сва механичка својства значајно утиче запремински удео тканине од угљеничних влакана. Када је запремински удео тканине од угљеничних влакана испод 50%, сва механичка својства композита се значајно побољшавају са повећањем запреминског удела тканине од угљеничних влакана.
Различити типови термопластичних смола показују различите степене перформанси када су интегрисани са угљеничним влакнима, а такође постоје разлике у припреми и накнадној обради. Само кроз континуирано експериментисање могу се пронаћи оптимална решења, која ће читаву индустрију угљеничних влакана довести у следећу фазу. Тренутно се показало да неколико термопластичних композита од угљеничних влакана, као што су ЦФ/ППС и ЦФ/ПЕЕК, добро раде у погледу перформанси, производње и рециклирања, што их чини важним областима за дубинско истраживање и развој у кратком року. Последњих година, Зхи Сханг Нев Материалс ради на бољој интеграцији континуираних угљеничних влакана са овим термопластичним смолама како би се створиле једносмерне траке са стабилнијим физичким облицима и супериорним механичким својствима. Са напретком у технологији и прилагођавању опреме, успостављена је могућност масовне производње оваквих производа.
