Przy wytwarzaniu termoplastycznego włókna węglowego w przemyśle powszechnie stosuje się te cztery środki zaklejające.
Przy wytwarzaniu termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego należy uwzględnić kwestię wytrzymałości wiązania międzyfazowego pomiędzy włóknem węglowym a żywicą termoplastyczną, aby zapewnić lepszy efekt infiltracji i wiązania w kolejnych procesach. Środki klejące odgrywają w tym względzie ważną rolę. Jednakże różne termoplastyczne materiały matrycowe mają różne właściwości fizyczne i chemiczne, dlatego potrzebne są eksperymenty w celu zidentyfikowania różnych typów środków zaklejających, które spełniają określone wymagania użytkowe.
W celu poprawy kompatybilności środków zaklejających z kompozytami na bazie żywic termoplastycznych przemysł przeprowadził szeroko zakrojone badania nad różnymi nowatorskimi środkami zaklejającymi do różnych żywic termoplastycznych, mając na celu osiągnięcie ścisłego podobieństwa strukturalnego i silnych interakcji między środkami zaklejającymi a żywicami termoplastycznymi . Po licznych eksperymentach i ocenie danych porównawczych stwierdzono, że szczególnie odpowiednie są następujące cztery środki zaklejające: poliamid (PA), poliuretan (PU), polieter arylowy i poliimid (PI).
1. Środek zaklejający z poliamidu (PA).
Poliamid (PA), znany również jako nylon, charakteryzuje się doskonałą stabilnością chemiczną, odpornością na zużycie i właściwościami mechanicznymi. Jest powszechnie stosowany w specjalnych włóknach, tworzywach konstrukcyjnych i żywicach kompozytowych na bazie żywic termoplastycznych. Ponieważ PA jest szeroko stosowany jako żywica matrycowa dla kompozytów na bazie żywic termoplastycznych, wybór PA jako składnika środka zaklejającego może poprawić kompatybilność międzyfazową kompozytów na bazie żywicy termoplastycznej.
Środek zaklejający na bazie rozpuszczalnika przygotowano poprzez rozpuszczenie zmodyfikowanego PA w poliolach i nałożenie go na odklejone włókno węglowe T300. Doprowadziło to do wytworzenia kompozytów CF/PA66. Dobra kompatybilność środka zaklejającego z żywicą na osnowie nylonu 66 spowodowała synergistyczny efekt wiązania chemicznego i adsorpcji fizycznej, skutecznie poprawiając wytrzymałość na rozciąganie i udarność kompozytów odpowiednio o 40,87% i 43,59%.
Metoda ta wymaga jednak znacznej ilości rozpuszczalników organicznych, stwarzając poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa środowiska i produkcji, a energochłonność suszenia rozpuszczalników jest znaczna. Dlatego też uwaga badań środków zaklejających PA stopniowo przesuwa się w stronę bardziej przyjaznych dla środowiska systemów środków zaklejających na bazie wody. Obecnie bardziej dojrzałymi podejściami jest otrzymywanie stabilnych zdyspergowanych emulsji PA przy użyciu środków powierzchniowo czynnych i przygotowywanie wodnych środków zaklejających PA poprzez modyfikację hydrofilową.
2. Poliuretanowy (PU) środek zaklejający
Poliuretan (PU) wykazuje dobrą kompatybilność i siłę wiązania z różnymi żywicami termoplastycznymi ze względu na swoją unikalną strukturę chemiczną, dzięki czemu ma szerokie zastosowanie jako środek zaklejający. Wykorzystując podobieństwa i kompatybilność między strukturami uretanu i węglanu, PU można stosować jako środek zaklejający do zaklejania włókien w kompozytach włókna węglowego (CF) / termoplastycznego poliwęglanu (PC) metodą rozpuszczalnikową.
Stabilność termiczna poliuretanowego (PU) środka zaklejającego jest doskonała; zaczyna tracić na wadze dopiero w temperaturach do 270 stopni. Pozwala to na chemiczne wiązanie ze strukturami węglanowymi w osnowie poliwęglanu (PC), co skutkuje wzrostem wytrzymałości kompozytów na ścinanie międzywarstwowe z 38,1 MPa do 62,9 MPa, co stanowi poprawę o 65%.
Jednakże wraz ze wzrostem nacisku na kwestie środowiskowe, rozpuszczalnikowe środki zaklejające PU są stopniowo zastępowane systemami zaklejaczy na bazie wody. Dyspersja emulsyjna jest jedną z powszechnie stosowanych metod wytwarzania wodnych środków zaklejających PU na bazie wody. Wodne emulsje zaklejające PU można przechowywać do sześciu miesięcy w warunkach suszenia w normalnej temperaturze, przy odporności cieplnej sięgającej 280–300 stopni, co może podnieść wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe kompozytów CF/PA66 do ponad 78 MPa, wykazując większą znaczące usprawnienie.
Środek zaklejający poliaryloeter
Poliaryloetery to polimery zawierające pierścienie aromatyczne i wiązania eterowe. Dobrze znane przykłady obejmują polieteroeteroketon (PEEK), polifenylen siarczek (PPS) i polieterosulfon (PES). Sztywne pierścienie benzenowe i elastyczne wiązania eterowe nadają tym materiałom doskonałe właściwości mechaniczne i termiczne, a jednocześnie pozwalają niektórym układom zachować krystaliczność, umożliwiając ciągłą pracę w wysokich temperaturach i wilgotnych warunkach. Są szeroko stosowane jako wysokowydajne tworzywa konstrukcyjne i żywice termoplastyczne w przemyśle lotniczym, elektronicznym, energetycznym i medycznym.
Jednakże sztywna i stabilna struktura poliaryloeterów, choć zapewnia wiele zalet, utrudnia także ich reakcję z innymi grupami aktywnymi, co prowadzi do słabego wiązania międzyfazowego z włóknami węglowymi (CF). Dlatego modyfikowanie układów poliaryloeterowych i przygotowywanie środków zaklejających w celu zwiększenia ich siły wiązania z matrycami CF i termoplastycznymi stało się priorytetowym problemem, którym należy się zająć. Obróbka mocnym kwasem jest skuteczną metodą wprowadzania grup aktywnych do cząsteczek poliaryloeteru.
Stosując obróbkę sulfonowaniem, do układu PEEK wprowadzono struktury sulfonianu sodu (-SO3Na) w celu przygotowania środka zaklejającego. Grupy sulfonowe mogą tworzyć wiązania wodorowe z grupami na powierzchni włókna, a środek zaklejający jest kompatybilny z matrycą PEEK, ułatwiając zwilżanie i infiltrację żywicy matrycowej do CF. Wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe materiału kompozytowego osiągnęła 78,2 MPa.
Dodatkowo przygotowano rozpuszczalnikowy hybrydowy środek zaklejający poprzez modyfikację tlenku grafenu (GO) o strukturze diaminowej podobnej do polieterosulfonu (PES), co nie tylko wprowadziło aktywne grupy aminowe, ale także poprawiło stabilność termiczną układu. Różne interakcje, takie jak wiązania chemiczne, wiązania wodorowe, przyciąganie polarne, siły van der Waalsa i blokowanie mechaniczne mogą spowodować silne wiązanie pomiędzy środkiem zaklejającym, GO, CF i matrycą PES, co skutkuje poprawą właściwości międzyfazowych o 74,1%. kompozytów CF/PES.
4. Poliimidowy (PI) środek zaklejający
Poliimidy (PI) to wysokowydajne polimery zawierające pierścienie imidowe w swoim szkielecie molekularnym. Mają bardzo sztywną strukturę łańcucha i doskonałe właściwości mechaniczne, co czyni je jednymi z materiałów polimerowych o najwyższych temperaturach. PI znalazły szerokie zastosowanie w przemyśle lotniczym, sprzęcie wojskowym, komunikacji elektronicznej i innych dziedzinach. Wśród nich środki zaklejające polieteroimidowe (PEI), które zawierają elastyczne wiązania eterowe, zyskały w ostatnich latach znaczną uwagę jako środki zaklejające wysokotemperaturowe ze względu na ich wyjątkową stabilność termiczną, lepszą elastyczność, lepszą rozpuszczalność i kompatybilność z żywicami termoplastycznymi.
Środki zaklejające PI wytrzymują wysokie temperatury, spełniając warunki formowania i użytkowania dla wysokowydajnych kompozytów na bazie żywic termoplastycznych (takich jak kompozyty CF/PES i CF/PEEK). Jednakże, podobnie jak w przypadku środków zaklejających poliaryloeterowych, sztywna i stabilna struktura molekularna środków zaklejających PI skutkuje niską zdolnością wiązania z włóknami węglowymi (CF) i słabą przetwarzalnością, co wymaga modyfikacji chemicznej.
Modyfikację środka zaklejającego PI przeprowadzono przy użyciu nanocząstek poprzez zdyspergowanie wielościennych nanorurek węglowych (MWCNT) w dichlorometanowym roztworze PEI. Metodą rozpuszczalnikową poddano obróbce powierzchnię tkaniny CF klasy T300. Badania wykazały, że MWCNT w mieszanym środku zaklejającym skutecznie wprowadził dużą liczbę grup aktywnych i mógł równomiernie pokryć powierzchnię włókna. Po dopasowaniu rozmiaru pierścienie imidowe w PEI mogą tworzyć oddziaływania polarne i wiązania wodorowe z grupami hydroksylowymi i karboksylowymi na powierzchni MWCNT, podczas gdy interakcje układania π-π zachodziły pomiędzy pierścieniami aromatycznymi MWCNT i żywicą matrycową PEEK. Modyfikacja ta znacząco zahamowała propagację pęknięć, ostatecznie dając materiałowi kompozytowemu wytrzymałość na ścinanie międzywarstwowe wynoszącą 90,7 MPa.
Ściśle mówiąc, poliamid (PA), poliuretan (PU), poliaryloeter i poliimid (PI) reprezentują cztery kategorie środków zaklejających, z których każda jest dostosowana do różnych typów żywic termoplastycznych. Te układy środków zaklejających zazwyczaj poddaje się różnym modyfikacjom podczas użytkowania, aby skutecznie poprawić właściwości użytkowe termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego. Dodatkowo należy rozważyć, czy procesy eksperymentalne mogą powodować znaczące negatywne skutki dla środowiska. Aby znaleźć optymalne rozwiązania, wielu ekspertów i naukowców, zarówno w kraju, jak i za granicą, stara się zidentyfikować najbardziej odpowiednie podejścia.
