Pet smeri kompozitov termoplastične smole, modificiranih z ogljikovimi vlakni.
Ogljikova vlakna so redek visoko zmogljiv material in raziskave na tem področju so se začele pred več kot stoletjem. Danes sta razvoj tehnologije in industrije ogljikovih vlaken prejela podporo številnih držav po vsem svetu. Ogljikova vlakna so sama po sebi mehka in jih je težko oblikovati; zato lahko njegovo spreminjanje in mešanje s substrati, kot so plastika, smole, kovine in keramika, prinese vrhunsko splošno učinkovitost in stabilne strukture, ki izpolnjujejo zahteve industrijske uporabe.
Smole, modificirane z ogljikovimi vlakni, so razmeroma uspešna vrsta kompozitnega materiala, pri čemer so termoreaktivni kompoziti iz ogljikovih vlaken danes glavna izbira. Uporabljene smole med drugim vključujejo epoksi smole in fenolne smole. Integracija termoplastičnih smol z ogljikovimi vlakni je zahtevna; vendar je splošna zmogljivost boljša, zaradi česar je pomembna usmeritev za prihodnji razvoj industrije ogljikovih vlaken. Pod trenutno stopnjo industrijske tehnologije je bil dosežen pomemben napredek pri raziskavah kompozitov termoplastične smole, modificiranih z ogljikovimi vlakni. Številni visoko zmogljivi termoplastični kompoziti, ojačani z neprekinjenimi ogljikovimi vlakni, so bili že uspešno razviti, kot so enosmerni trakovi CF/PPS in CF/PEEK, ki jih proizvaja Zhishang New Materials.
1. Kompoziti iz polipropilenske smole, modificirani z ogljikovimi vlakni
Polipropilen (PP) je najpogosteje uporabljen polimerni material na področjih, kot so avtomobili in gospodinjski aparati, z letno proizvodnjo na Kitajskem, ki presega 1 milijon ton. Modificiranje polipropilenske smole z ogljikovimi vlakni lahko znatno izboljša trdnost in togost kompozitnega materiala. Poleg tega ima vgradnja ogljikovih vlaken tudi precejšen vpliv na pretočnost in kristaliničnost PP materialov.
PP materiali, modificirani z ogljikovimi vlakni, se običajno obdelujejo s tehnikami mešanja s taljenjem, ki v glavnem vključujejo dve metodi obdelave: ekstruzijo z dvojnim polžem in ojačitev z dolgimi vlakni. Na lastnosti modificiranih materialov vplivajo dejavniki, kot so količina dodanih ogljikovih vlaken, dolžina vlaken, kompatibilizatorji in površinska obdelava vlaken.
Trenutno se PP kompoziti, ojačani z dolgimi vlakni, široko uporabljajo v sektorjih, kot sta avtomobilska in pomorska industrija. Vendar pa zaradi slabe združljivosti med PP matriko in ogljikovimi vlakni doseganje visoke mehanske zmogljivosti v kompozitih zahteva zapletene postopke površinske obdelave ogljikovih vlaken, kar znatno poveča tako stroške obdelave kot težave.
2. Kompoziti polivinilkloridne smole, modificirani z ogljikovimi vlakni
Polivinilklorid (PVC) je ena izmed najbolj razširjenih smol za splošno uporabo na Kitajskem, s ključnimi prednostmi, vključno z nizkimi stroški, dobrimi električnimi izolacijskimi lastnostmi, odlično kemično odpornostjo in preprostimi postopki oblikovanja. Vendar nekatere inherentne pomanjkljivosti, kot so slaba žilavost, nizka udarna trdnost in toplotna stabilnost ter slaba obdelava, omejujejo njegovo uporabo na področjih s strogimi zahtevami.
PVC materiali, modificirani z ogljikovimi vlakni, lahko učinkovito povečajo natezno trdnost, površinsko trdoto in upogibno trdnost PVC matrice, zaradi česar so primerni za proizvodnjo različnih PVC plošč in cevi.
Združljivost med filamenti iz ogljikovih vlaken in PVC matrico je boljša, kar ima za posledico znatno izboljšano natezno trdnost, upogibno trdnost in udarno trdnost v primerjavi s PVC matriko. Zaradi slabe toplotne stabilnosti PVC matrice lahko metode obdelave, kot je potopitev v talino ali mešanje, zlahka povzročijo degradacijo matrice. Zato se PVC materiali, modificirani z ogljikovimi vlakni, običajno obdelujejo s tehnikami laminiranja.
3. Kompoziti iz polikarbonatne smole, modificirani z ogljikovimi vlakni
Polikarbonat (PC) je široko uporabljena inženirska plastika, znana po visoki udarni trdnosti in dobri preglednosti. Ko se ogljikova vlakna sestavijo z osebnim računalnikom, lahko dodatno izboljšajo različne lastnosti osebnega računalnika in razširijo njegova področja uporabe.
Raziskave so pokazale, da ko je količina dodanih ogljikovih vlaken pod 20 %, pride do znatnega povečanja natezne trdnosti, upogibne trdnosti in upogibnega modula materiala. Trdnost na udarec doseže svoj maksimum, ko je vsebnost ogljikovih vlaken okoli 6 %. Ko je vsebnost ogljikovih vlaken med 10 % in 20 %, lahko površinska upornost materiala doseže 8×10^9 Ω·cm, kar zagotavlja odlične antistatične lastnosti.
Kompozit polikarbonata (PC) z ogljikovimi vlakni lahko polimerni matriki doda elektromagnetne zaščitne lastnosti; vendar pa učinkovitost zaščite ni zelo visoka. Da bi dosegli zahtevano učinkovitost zaščite standardnih materialov za elektromagnetno zaščito, je treba dodati druga visokoprevodna kovinska vlakna ali prah. Ogljikova vlakna ali ogljikova vlakna, prevlečena s kovino, lahko v kombinaciji s kovinskim prahom, grafenom, prevodnimi sajami itd. igrajo premostitveno vlogo v kompozitnem materialu in tako izboljšajo učinkovitost elektromagnetne zaščite.
4. Kompoziti iz poliamidne smole, modificirani z ogljikovimi vlakni
Poliamid (PA) je odlična inženirska plastika, vendar je zaradi visoke kristaliničnosti in velike absorpcije vlage dimenzijska stabilnost izdelkov iz tega materiala slaba, njegova trdnost in trdota pa nista enaki kovinskim. V praktičnih aplikacijah ti materiali pogosto zahtevajo ojačitev s steklenimi ali ogljikovimi vlakni.
Po ojačanju in modificiranju z ogljikovimi vlakni se lahko mehanske lastnosti PA močno izboljšajo. Modificiran material lahko služi kot strukturni material za prenašanje obremenitev in kot funkcionalni material. Trenutno se večina raziskav PA, modificiranega z ogljikovimi vlakni, osredotoča na učinke modifikacije površine ogljikovih vlaken na vmesnik in učinkovitost kompozitov.
Študije so pokazale, da oksidacijska obdelava površine ogljikovih vlaken izboljša trdnost vezi med ogljikovimi vlakni in PA1010. Ko se volumenski delež ogljikovih vlaken poveča, se natezna trdnost in Rockwellova trdota kompozita sprva povečata in nato zmanjšata. Ko volumski delež ogljikovih vlaken doseže 20%, natezna trdnost materiala doseže največjo vrednost. Poleg tega se koeficient trenja materiala zmanjšuje z naraščajočim volumskim deležem ogljikovih vlaken in se stabilizira pri okoli 0,24, ko volumski delež ogljikovih vlaken doseže 20 %.
5. Plastični kompoziti, modificirani iz ogljikovih vlaken
Posebna inženirska plastika se nanaša na plastiko z večjo splošno zmogljivostjo in dolgotrajno delovno temperaturo nad 150 stopinj. Ti materiali vključujejo predvsem PEEK, PPS, TPI in druge. Večina posebne inženirske plastike lahko služi kot matrični material za termoplastične kompozite, ojačene s steklenimi vlakni, ogljikovimi vlakni in aramidnimi vlakni. Posebna inženirska plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni, ima odlične mehanske lastnosti in zmogljivost obdelave, kar ji omogoča, da popolnoma nadomesti termo strjevalne smole ali celo kovine v aplikacijah, kot so vesoljska, pomorska in medicinska področja.
A. Polieter eter keton, ojačan z ogljikovimi vlakni (PEEK)je trenutno najvišja temperatura odporna termoplastika, z dolgotrajno temperaturo uporabe do 250 stopinj. Tudi pri temperaturah do 300 stopinj ohranja zelo dobre mehanske lastnosti. PEEK, modificiran z ogljikovimi vlakni, ne le poveča trdnost in togost materiala, temveč mu daje tudi lastnosti prevodnosti in odpornosti proti obrabi.
B. Termoplastični poliimid (TPI)izkazuje izjemno toplotno stabilnost, skupaj z odlično odpornostjo na udarce, odpornost na sevanje in odpornost na topila. Poleg tega ta vrsta materiala izkazuje izjemno odpornost proti obrabi v ekstremnih okoljih, za katere so značilne visoke temperature, različni pritiski in visoke hitrosti. Uporaba ojačitve iz ogljikovih vlaken lahko dodatno izboljša učinkovitost teh materialov in razširi njihov obseg uporabe.
C. Polifenilen sulfid (PPS)je polkristalna termoplastična smola, znana po svojih odličnih mehanskih lastnostih, kemični odpornosti in lastnostih samougasljivosti. Poleg tega ta vrsta materiala kaže dobro združljivost z anorganskimi minerali in organskimi vlakni, zaradi česar je primeren za pripravo različnih kompozitov z visoko vsebnostjo polnila. Kompoziti PPS iz termoplastičnih ogljikovih vlaken imajo dobre mehanske lastnosti in odlično odpornost na topila. Odlična je tudi sposobnost lepljenja med PPS in ogljikovimi vlakni; vendar pa na vse mehanske lastnosti pomembno vpliva prostorninski delež tkanine iz ogljikovih vlaken. Ko je volumski delež tkanine iz ogljikovih vlaken pod 50 %, se vse mehanske lastnosti kompozita bistveno izboljšajo s povečanjem volumskega deleža tkanine iz ogljikovih vlaken.
Različne vrste termoplastičnih smol kažejo različne stopnje učinkovitosti, če so integrirane z ogljikovimi vlakni, prav tako pa obstajajo razlike v pripravi in nadaljnji obdelavi. Samo z nenehnim eksperimentiranjem je mogoče najti optimalne rešitve, ki celotno industrijo ogljikovih vlaken popeljejo v naslednjo stopnjo. Trenutno se je izkazalo, da se več termoplastičnih kompozitov iz ogljikovih vlaken, kot sta CF/PPS in CF/PEEK, dobro obnesejo v smislu učinkovitosti, proizvodnje in recikliranja, zaradi česar so kratkoročno pomembna področja za poglobljene raziskave in razvoj. V zadnjih letih si je podjetje Zhi Shang New Materials prizadevalo za boljšo integracijo neprekinjenih ogljikovih vlaken s temi termoplastičnimi smolami, da bi ustvarilo enosmerne trakove s stabilnejšimi fizikalnimi oblikami in vrhunskimi mehanskimi lastnostmi. Z napredkom tehnologije in prilagajanjem opreme je bila vzpostavljena zmožnost množične proizvodnje tovrstnih izdelkov.
