Pięć kierunków kompozytów żywic termoplastycznych modyfikowanych włóknem węglowym.
Włókno węglowe to rzadki materiał o wysokich parametrach, a badania nad nim rozpoczęły się ponad sto lat temu. Obecnie rozwój technologii i przemysłu włókna węglowego otrzymał wsparcie wielu krajów na całym świecie. Samo włókno węglowe jest miękkie i trudne do kształtowania; dlatego modyfikowanie go i łączenie z podłożami takimi jak tworzywa sztuczne, żywice, metale i ceramika może zapewnić doskonałą ogólną wydajność i stabilne struktury, które spełniają wymagania zastosowań przemysłowych.
Żywice modyfikowane włóknem węglowym są stosunkowo udanym typem materiału kompozytowego, przy czym obecnie głównym wyborem są termoutwardzalne kompozyty z włókna węglowego. Stosowane żywice obejmują między innymi żywice epoksydowe i żywice fenolowe. Integracja żywic termoplastycznych z włóknem węglowym stanowi wyzwanie; jednakże ogólna wydajność jest lepsza, co czyni go ważnym kierunkiem przyszłego rozwoju branży włókien węglowych. Przy obecnym poziomie technologii przemysłowej nastąpił znaczny postęp w badaniach nad kompozytami żywic termoplastycznych modyfikowanych włóknem węglowym. Opracowano już wiele wysokowydajnych kompozytów termoplastycznych wzmocnionych ciągłymi włóknami węglowymi, takich jak jednokierunkowe taśmy CF/PPS i CF/PEEK produkowane przez Zhishang New Materials.
1. Kompozyty z żywicy polipropylenowej modyfikowanej włóknem węglowym
Polipropylen (PP) to najpowszechniej stosowany materiał polimerowy w takich dziedzinach, jak motoryzacja i sprzęt AGD, a roczna produkcja w Chinach przekracza 1 milion ton. Modyfikowanie żywicy polipropylenowej włóknem węglowym może znacząco poprawić wytrzymałość i sztywność materiału kompozytowego. Ponadto dodatek włókna węglowego ma również znaczny wpływ na płynność i krystaliczność materiałów PP.
Materiały PP modyfikowane włóknami węglowymi są zazwyczaj przetwarzane przy użyciu technik mieszania stopu, które obejmują głównie dwie metody przetwarzania: wytłaczanie dwuślimakowe i wzmacnianie długimi włóknami. Na właściwości modyfikowanych materiałów wpływają takie czynniki, jak ilość dodanego włókna węglowego, długość włókna, kompatybilizatory i obróbka powierzchni włókien.
Obecnie kompozyty PP wzmocnione długimi włóknami znajdują szerokie zastosowanie w takich sektorach jak przemysł motoryzacyjny i morski. Jednak ze względu na słabą kompatybilność osnowy PP z włóknem węglowym, osiągnięcie wysokich parametrów mechanicznych w kompozytach wymaga skomplikowanych procesów obróbki powierzchni włókna węglowego, co znacznie zwiększa zarówno koszty przetwarzania, jak i trudność.
2. Kompozyty z żywicy polichlorku winylu modyfikowanej włóknem węglowym
Polichlorek winylu (PVC) to jedna z najczęściej produkowanych żywic ogólnego przeznaczenia w Chinach, której kluczowe zalety obejmują niski koszt, dobre właściwości izolacji elektrycznej, doskonałą odporność chemiczną i proste procesy formowania. Jednakże pewne nieodłączne wady, takie jak słaba wytrzymałość, niska udarność i stabilność termiczna oraz słaba wydajność przetwarzania, ograniczają jego zastosowanie w dziedzinach o rygorystycznych wymaganiach.
Materiały PCV modyfikowane włóknem węglowym mogą skutecznie zwiększać wytrzymałość na rozciąganie, twardość powierzchni i wytrzymałość na zginanie matrycy PCV, dzięki czemu nadają się do produkcji różnych arkuszy i rur PCV.
Kompatybilność pomiędzy włóknami węglowymi a matrycą PVC jest lepsza, co skutkuje znacznie lepszą wytrzymałością na rozciąganie, wytrzymałością na zginanie i udarnością w porównaniu z matrycą PVC. Ze względu na słabą stabilność termiczną matrycy PVC, metody przetwarzania, takie jak zanurzanie w stopie lub mieszanie, mogą łatwo prowadzić do degradacji matrycy. Dlatego materiały PCV modyfikowane włóknem węglowym są zazwyczaj przetwarzane przy użyciu technik laminowania.
3. Kompozyty z żywicy poliwęglanowej modyfikowanej włóknem węglowym
Poliwęglan (PC) to szeroko stosowane tworzywo konstrukcyjne, znane ze swojej wysokiej udarności i dobrej przezroczystości. Połączenie włókna węglowego z PC może jeszcze bardziej poprawić różne właściwości PC i rozszerzyć jego obszary zastosowań.
Badania wykazały, że gdy ilość dodanego włókna węglowego jest mniejsza niż 20%, następuje znaczne zwiększenie wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości na zginanie i modułu sprężystości przy zginaniu. Udarność osiąga maksimum, gdy zawartość włókna węglowego wynosi około 6%. Gdy zawartość włókna węglowego wynosi od 10% do 20%, rezystywność powierzchniowa materiału może osiągnąć 8×10^9 Ω·cm, zapewniając doskonałe właściwości antystatyczne.
Kompozyt poliwęglanu (PC) z włóknem węglowym może również nadawać matrycy polimerowej właściwości ekranowania elektromagnetycznego; jednakże skuteczność ekranowania nie jest zbyt wysoka. Aby uzyskać wymaganą skuteczność ekranowania standardowych materiałów ekranujących elektromagnetycznie, konieczne jest dodanie innych włókien lub proszków metali o wysokiej przewodności. Włókno węglowe lub włókno węglowe pokryte metalem w połączeniu z proszkami metali, grafenem, sadzą przewodzącą itp. może odgrywać rolę mostkującą w materiale kompozytowym, poprawiając w ten sposób skuteczność ekranowania elektromagnetycznego.
4. Kompozyty z żywicy poliamidowej modyfikowanej włóknem węglowym
Poliamid (PA) jest doskonałym tworzywem konstrukcyjnym, jednak ze względu na jego wysoką krystaliczność i znaczną absorpcję wilgoci stabilność wymiarowa wyrobów wykonanych z tego materiału jest słaba, a jego wytrzymałość i twardość nie dorównują metalom. W zastosowaniach praktycznych materiały te często wymagają wzmocnienia włóknem szklanym lub węglowym.
Po wzmocnieniu i modyfikacji włóknem węglowym właściwości mechaniczne PA można znacznie poprawić. Zmodyfikowany materiał może służyć zarówno jako materiał konstrukcyjny przenoszący obciążenia, jak i materiał funkcjonalny. Obecnie większość badań nad PA modyfikowanym włóknami węglowymi skupia się na wpływie modyfikacji powierzchni włókien węglowych na powierzchnię styku i właściwości użytkowe kompozytów.
Badania wykazały, że utlenianie powierzchni włókna węglowego poprawia siłę wiązania pomiędzy włóknem węglowym a PA1010. Wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókna węglowego wytrzymałość na rozciąganie i twardość Rockwella kompozytu początkowo rosną, a następnie maleją. Gdy udział objętościowy włókna węglowego osiągnie 20%, wytrzymałość materiału na rozciąganie osiąga maksymalną wartość. Dodatkowo współczynnik tarcia materiału maleje wraz ze wzrostem udziału objętościowego włókna węglowego, stabilizując się na poziomie około 0,24, gdy udział objętościowy włókna węglowego osiąga 20%.
5. Specjalne kompozyty konstrukcyjne z tworzyw sztucznych modyfikowane włóknem węglowym
Specjalne tworzywa konstrukcyjne odnoszą się do tych o wyższej ogólnej wydajności i długotrwałych temperaturach użytkowania powyżej 150 stopni. Materiały te obejmują głównie PEEK, PPS, TPI i inne. Większość specjalnych tworzyw konstrukcyjnych może służyć jako materiały matrycowe dla kompozytów termoplastycznych wzmocnionych włóknem szklanym, włóknem węglowym i włóknem aramidowym. Specjalne tworzywa konstrukcyjne wzmocnione włóknem węglowym charakteryzują się doskonałymi właściwościami mechanicznymi i wydajnością przetwarzania, dzięki czemu mogą całkowicie zastąpić żywice termoutwardzalne, a nawet metale w zastosowaniach takich jak przemysł lotniczy, morski i medyczny.
A. Wzmocniony włóknem węglowym polieteroeteroketon (PEEK)jest obecnie tworzywem termoplastycznym o najwyższej odporności na temperaturę, o długotrwałej temperaturze użytkowania do 250 stopni. Nawet w temperaturach sięgających 300 stopni zachowuje bardzo dobre właściwości mechaniczne. PEEK modyfikowany włóknem węglowym nie tylko zwiększa wytrzymałość i sztywność materiału, ale także zapewnia przewodność i odporność na zużycie.
B. Termoplastyczny poliimid (TPI)wykazuje wyjątkową stabilność termiczną, a także doskonałą odporność na uderzenia, odporność na promieniowanie i odporność na rozpuszczalniki. Ponadto ten rodzaj materiału wykazuje wyjątkową odporność na zużycie w ekstremalnych środowiskach charakteryzujących się wysokimi temperaturami, zmiennymi ciśnieniami i dużymi prędkościami. Zastosowanie wzmocnienia włóknem węglowym może jeszcze bardziej poprawić właściwości tych materiałów i poszerzyć zakres ich zastosowań.
C. Siarczek polifenylenu (PPS)to półkrystaliczna żywica termoplastyczna znana ze swoich doskonałych właściwości mechanicznych, odporności chemicznej i właściwości samogasnących. Dodatkowo ten rodzaj materiału wykazuje dobrą kompatybilność z minerałami nieorganicznymi i włóknami organicznymi, dzięki czemu nadaje się do wytwarzania różnorodnych kompozytów o dużej zawartości wypełniaczy. Kompozyty PPS z termoplastycznych włókien węglowych charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi i doskonałą odpornością na rozpuszczalniki. Jakość wiązania pomiędzy PPS i włóknem węglowym jest również doskonała; jednakże na wszystkie właściwości mechaniczne znacząco wpływa udział objętościowy tkaniny z włókna węglowego. Gdy udział objętościowy tkaniny z włókna węglowego jest niższy niż 50%, wszystkie właściwości mechaniczne kompozytu znacznie się poprawiają wraz ze wzrostem udziału objętościowego tkaniny z włókna węglowego.
Różne rodzaje żywic termoplastycznych wykazują różny stopień wydajności po zintegrowaniu z włóknem węglowym, istnieją także różnice w przygotowaniu i późniejszym przetwarzaniu. Tylko poprzez ciągłe eksperymenty można znaleźć optymalne rozwiązania, popychając cały przemysł włókien węglowych do następnego etapu. Obecnie wykazano, że kilka termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego, takich jak CF/PPS i CF/PEEK, dobrze radzi sobie pod względem wydajności, produkcji i recyklingu, co czyni je ważnymi obszarami dogłębnych badań i rozwoju w perspektywie krótkoterminowej. W ostatnich latach firma Zhi Shang New Materials pracowała nad lepszą integracją ciągłych włókien węglowych z żywicami termoplastycznymi, aby stworzyć jednokierunkowe taśmy o bardziej stabilnych formach fizycznych i doskonałych właściwościach mechanicznych. Wraz z postępem technologii i dostosowaniami sprzętu, ustalono zdolność do masowej produkcji takich produktów.
