Pet smjerova kompozita termoplastične smole modificiranih ugljičnim vlaknima.
Ugljična vlakna rijedak su materijal visokih performansi, a istraživanje o njemu počelo je prije više od jednog stoljeća. Danas, razvoj tehnologije i industrije karbonskih vlakana dobio je podršku mnogih zemalja diljem svijeta. Sama karbonska vlakna su mekana i teška za oblikovanje; stoga, njegova modifikacija i miješanje sa supstratima kao što su plastika, smole, metali i keramika mogu dati vrhunske ukupne performanse i stabilne strukture koje zadovoljavaju zahtjeve industrijske primjene.
Smole modificirane ugljičnim vlaknima relativno su uspješna vrsta kompozitnog materijala, pri čemu su termoreaktivni kompoziti od ugljičnih vlakana danas glavni izbor. Korištene smole uključuju epoksidne smole i fenolne smole, među ostalima. Integracija termoplastičnih smola s karbonskim vlaknima je izazovna; međutim, ukupna izvedba je bolja, što ga čini važnim smjerom za budući razvoj industrije karbonskih vlakana. Pod trenutnom razinom industrijske tehnologije, postignut je značajan napredak u istraživanju kompozita termoplastične smole modificiranih ugljičnim vlaknima. Brojni visokoučinkoviti termoplastični kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima već su uspješno razvijeni, kao što su CF/PPS i CF/PEEK jednosmjerne trake koje proizvodi Zhishang New Materials.
1. Kompoziti od polipropilenske smole modificirani ugljičnim vlaknima
Polipropilen (PP) je najrašireniji polimerni materijal u područjima kao što su automobilska industrija i kućanski uređaji, s godišnjom proizvodnjom u Kini koja prelazi 1 milijun tona. Modificiranje polipropilenske smole ugljičnim vlaknima može značajno poboljšati čvrstoću i krutost kompozitnog materijala. Osim toga, ugradnja karbonskih vlakana također ima značajan utjecaj na tečljivost i kristalnost PP materijala.
PP materijali modificirani ugljičnim vlaknima obično se obrađuju tehnikama miješanja taline, koje uglavnom uključuju dvije metode obrade: ekstruziju s dva puža i ojačanje dugim vlaknima. Na svojstva modificiranih materijala utječu čimbenici kao što su količina dodanih karbonskih vlakana, duljina vlakana, sredstva za kompatibilnost i površinska obrada vlakana.
Trenutno se PP kompoziti ojačani dugim vlaknima naširoko primjenjuju u sektorima kao što su automobilska i pomorska industrija. Međutim, zbog slabe kompatibilnosti između PP matrice i karbonskih vlakana, postizanje visokih mehaničkih svojstava u kompozitima zahtijeva složene procese površinske obrade karbonskih vlakana, što značajno povećava i troškove i poteškoće obrade.
2. Kompoziti smole polivinil klorida modificirani ugljičnim vlaknima
Polivinil klorid (PVC) jedna je od najčešće proizvedenih smola opće namjene u Kini, s ključnim prednostima uključujući nisku cijenu, dobra električna izolacijska svojstva, izvrsnu kemijsku otpornost i jednostavne postupke oblikovanja. Međutim, neki inherentni nedostaci kao što su slaba žilavost, niska udarna čvrstoća i toplinska stabilnost, te loša izvedba obrade ograničavaju njegovu primjenu u područjima sa strogim zahtjevima.
PVC materijali modificirani ugljičnim vlaknima mogu učinkovito povećati vlačnu čvrstoću, površinsku tvrdoću i čvrstoću na savijanje PVC matrice, što ih čini prikladnima za proizvodnju raznih PVC ploča i cijevi.
Kompatibilnost između filamenata od karbonskih vlakana i PVC matrice je bolja, što rezultira značajno poboljšanom vlačnom čvrstoćom, čvrstoćom na savijanje i čvrstoćom na udar u usporedbi s PVC matricom. Zbog slabe toplinske stabilnosti PVC matrice, metode obrade kao što je uranjanje u taljenje ili miješanje mogu lako dovesti do degradacije matrice. Stoga se PVC materijali modificirani ugljičnim vlaknima obično obrađuju tehnikama laminiranja.
3. Kompoziti od polikarbonatne smole modificirani ugljičnim vlaknima
Polikarbonat (PC) je široko korištena inženjerska plastika poznata po svojoj visokoj otpornosti na udarce i dobroj prozirnosti. Kada se karbonska vlakna pomiješaju s PC-om, mogu dodatno poboljšati različita svojstva PC-a i proširiti njegova područja primjene.
Istraživanja su pokazala da kada je količina dodanih ugljičnih vlakana ispod 20%, postoji značajno povećanje vlačne čvrstoće, čvrstoće na savijanje i modula savijanja materijala. Čvrstoća na udar doseže svoj maksimum kada je udio karbonskih vlakana oko 6%. Kada je sadržaj ugljičnih vlakana između 10% i 20%, površinski otpor materijala može doseći 8×10^9 Ω·cm, pružajući izvrsna antistatička svojstva.
Kompozit polikarbonata (PC) s ugljičnim vlaknima također može polimernoj matrici prenijeti svojstva elektromagnetske zaštite; međutim, učinkovitost zaštite nije jako visoka. Kako bi se postigla potrebna učinkovitost zaštite od standardnih materijala za elektromagnetsku zaštitu, potrebno je dodati druga metalna vlakna ili prah visoke vodljivosti. Ugljična vlakna ili ugljična vlakna presvučena metalom, kada se pomiješaju s metalnim prahom, grafenom, vodljivom čađom itd., mogu igrati ulogu premošćavanja u kompozitnom materijalu, čime se poboljšava učinak elektromagnetske zaštite.
4. Kompoziti od poliamidne smole modificirani ugljičnim vlaknima
Poliamid (PA) je izvrsna inženjerska plastika, no zbog visoke kristalnosti i značajne apsorpcije vlage, dimenzionalna stabilnost proizvoda izrađenih od ovog materijala je loša, a njegova čvrstoća i tvrdoća ne odgovaraju onima metala. U praktičnim primjenama, ovi materijali često zahtijevaju pojačanje staklenim ili karbonskim vlaknima.
Nakon što je ojačan i modificiran karbonskim vlaknima, mehanička svojstva PA mogu se znatno poboljšati. Modificirani materijal može poslužiti i kao konstrukcijski materijal za podnošenje opterećenja i kao funkcionalni materijal. Trenutačno se većina istraživanja PA modificiranog ugljičnim vlaknima usredotočuje na učinke modifikacije površine ugljičnih vlakana na sučelje i performanse kompozita.
Studije su pokazale da oksidacijski tretman površine karbonskih vlakana poboljšava čvrstoću veze između karbonskih vlakana i PA1010. Kako se volumni udio ugljičnih vlakana povećava, vlačna čvrstoća i Rockwellova tvrdoća kompozita prvo se povećavaju, a zatim smanjuju. Kada volumni udio karbonskih vlakana dosegne 20%, vlačna čvrstoća materijala doseže svoju maksimalnu vrijednost. Dodatno, koeficijent trenja materijala opada s povećanjem volumnog udjela karbonskih vlakana, stabilizirajući se na oko 0,24 kada volumni udio karbonskih vlakana dosegne 20%.
5. Specijalni inženjerski plastični kompoziti modificirani ugljičnim vlaknima
Posebna inženjerska plastika odnosi se na one s višim ukupnim učinkom i dugotrajnim radnim temperaturama iznad 150 stupnjeva. Ovi materijali uglavnom uključuju PEEK, PPS, TPI i druge. Većina specijalnih inženjerskih plastika može poslužiti kao matrični materijal za termoplastične kompozite ojačane staklenim vlaknima, ugljičnim vlaknima i aramidnim vlaknima. Specijalna inženjerska plastika ojačana ugljičnim vlaknima ima izvrsna mehanička svojstva i performanse obrade, što im omogućuje da u potpunosti zamijene smole za termofiksiranje ili čak metale u primjenama kao što su zrakoplovstvo, pomorstvo i medicina.
A. Polieter eter keton ojačan ugljičnim vlaknima (PEEK)trenutno je najviša termoplastika otporna na temperaturu, s temperaturom dugotrajne upotrebe do 250 stupnjeva. Čak i na temperaturama do 300 stupnjeva, zadržava vrlo dobra mehanička svojstva. PEEK modificiran ugljičnim vlaknima ne samo da povećava snagu i krutost materijala, već također daje karakteristike vodljivosti i otpornosti na trošenje.
B. Termoplastični poliimid (TPI)pokazuje izvanrednu toplinsku stabilnost, uz izvrsnu otpornost na udarce, otpornost na zračenje i otpornost na otapala. Štoviše, ova vrsta materijala pokazuje iznimnu otpornost na habanje u ekstremnim okruženjima karakteriziranim visokim temperaturama, različitim pritiscima i velikim brzinama. Primjena ojačanja karbonskim vlaknima može dodatno poboljšati učinkovitost ovih materijala i proširiti njihov raspon primjene.
C. Polifenilen sulfid (PPS)je polukristalna termoplastična smola poznata po svojim izvrsnim mehaničkim svojstvima, kemijskoj otpornosti i karakteristikama samogašenja. Dodatno, ova vrsta materijala pokazuje dobru kompatibilnost s anorganskim mineralima i organskim vlaknima, što ga čini pogodnim za pripremu različitih kompozita s visokim sadržajem punila. Termoplastični PPS kompoziti od karbonskih vlakana pokazuju dobra mehanička svojstva i izvrsnu otpornost na otapala. Učinak lijepljenja između PPS-a i karbonskih vlakana također je izvrstan; međutim, na sva mehanička svojstva značajno utječe volumni udio tkanine od karbonskih vlakana. Kada je volumni udio tkanine od ugljičnih vlakana ispod 50%, sva mehanička svojstva kompozita značajno se poboljšavaju s povećanjem volumnog udjela tkanine od ugljičnih vlakana.
Različite vrste termoplastičnih smola pokazuju različite stupnjeve učinkovitosti kada su integrirane s karbonskim vlaknima, a također postoje razlike u pripremi i naknadnoj obradi. Samo kontinuiranim eksperimentiranjem mogu se pronaći optimalna rješenja, gurajući cijelu industriju karbonskih vlakana u sljedeću fazu. Trenutačno se pokazalo da nekoliko termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana, kao što su CF/PPS i CF/PEEK, imaju dobre rezultate u smislu izvedbe, proizvodnje i recikliranja, što ih čini važnim područjima za dubinsko istraživanje i razvoj u kratkom roku. Posljednjih godina tvrtka Zhi Shang New Materials radi na boljoj integraciji kontinuiranih karbonskih vlakana s ovim termoplastičnim smolama kako bi stvorila jednosmjerne trake stabilnijih fizičkih oblika i superiornih mehaničkih svojstava. S napretkom tehnologije i prilagodbom opreme, uspostavljena je sposobnost masovne proizvodnje takvih proizvoda.
