De fem retningene til karbonfibermodifiserte termoplastiske harpikskompositter.
Karbonfiber er et sjeldent høyytelsesmateriale, og forskning på det begynte for over et århundre siden. I dag har teknologi- og industriutviklingen av karbonfiber fått støtte fra mange land rundt om i verden. Karbonfiber i seg selv er mykt og vanskelig å forme; Derfor kan modifisering og blanding av den med substrater som plast, harpiks, metaller og keramikk gi overlegen generell ytelse og stabile strukturer som oppfyller kravene til industriell bruk.
Karbonfibermodifiserte harpikser er en relativt vellykket type komposittmateriale, med varmeherdende karbonfiberkompositter som hovedvalget i dag. Harpiksene som brukes inkluderer blant annet epoksyharpikser og fenolharpikser. Integreringen av termoplastiske harpikser med karbonfiber er utfordrende; Den generelle ytelsen er imidlertid bedre, noe som gjør det til en viktig retning for den fremtidige utviklingen av karbonfiberindustrien. Under det nåværende nivået av industriell teknologi har det blitt gjort betydelige fremskritt i forskningen av karbonfibermodifiserte termoplastiske harpikskompositter. Tallrike høyytelses kontinuerlige karbonfiberforsterkede termoplastiske kompositter har allerede blitt utviklet med suksess, for eksempel CF/PPS og CF/PEEK ensrettet tape produsert av Zhishang New Materials.
1. Karbonfibermodifiserte polypropylenharpikskompositter
Polypropylen (PP) er det mest brukte polymermaterialet i felt som bil- og husholdningsapparater, med en årlig produksjon i Kina som overstiger 1 million tonn. Modifisering av polypropylenharpiks med karbonfiber kan forbedre styrken og stivheten til komposittmaterialet betydelig. I tillegg har inkorporering av karbonfiber også en betydelig innvirkning på flytbarheten og krystalliniteten til PP-materialer.
Karbonfibermodifiserte PP-materialer behandles vanligvis ved bruk av smelteblandingsteknikker, som hovedsakelig inkluderer to prosesseringsmetoder: ekstrudering med to skruer og langfiberforsterkning. Egenskapene til de modifiserte materialene påvirkes av faktorer som mengden tilsatt karbonfiber, fiberlengde, kompatibilisatorer og overflatebehandling av fibrene.
For tiden har langfiberforsterkede PP-kompositter blitt mye brukt i sektorer som bil- og marinindustri. Men på grunn av den dårlige kompatibiliteten mellom PP-matrisen og karbonfiberen, krever det å oppnå høy mekanisk ytelse i komposittene komplekse overflatebehandlingsprosesser for karbonfiberen, noe som øker både prosesseringskostnadene og vanskelighetene betydelig.
2. Karbonfibermodifiserte polyvinylkloridharpikskompositter
Polyvinylklorid (PVC) er en av de mest produserte harpiksene for generell bruk i Kina, med viktige fordeler inkludert lav pris, gode elektriske isolasjonsegenskaper, utmerket kjemisk motstand og enkle støpeprosesser. Noen iboende ulemper som dårlig seighet, lav slagstyrke og termisk stabilitet og dårlig prosessytelse begrenser imidlertid bruken i felt med strenge krav.
Karbonfibermodifiserte PVC-materialer kan effektivt forbedre strekkstyrken, overflatehardheten og bøyestyrken til PVC-matrisen, noe som gjør dem egnet for produksjon av ulike PVC-plater og -rør.
Kompatibiliteten mellom karbonfiberfilamenter og PVC-matrisen er bedre, noe som resulterer i betydelig forbedret strekkstyrke, bøyestyrke og slagstyrke sammenlignet med PVC-matrisen. På grunn av den dårlige termiske stabiliteten til PVC-matrisen, kan prosesseringsmetoder som smeltedypning eller blanding lett føre til nedbrytning av matrisen. Derfor behandles karbonfibermodifiserte PVC-materialer vanligvis ved bruk av lamineringsteknikker.
3. Karbonfibermodifiserte polykarbonatharpikskompositter
Polykarbonat (PC) er en mye brukt ingeniørplast kjent for sin høye slagfasthet og gode gjennomsiktighet. Når karbonfiber er sammensatt med PC, kan det ytterligere forbedre de ulike egenskapene til PC og utvide bruksområdene.
Forskning har vist at når mengden tilsatt karbonfiber er under 20 %, er det en betydelig forbedring i strekkstyrken, bøyestyrken og bøyemodulen til materialet. Slagfastheten når sitt maksimum når karbonfiberinnholdet er rundt 6 %. Når karbonfiberinnholdet er mellom 10 % og 20 %, kan overflateresistiviteten til materialet nå 8×10^9 Ω·cm, noe som gir utmerkede antistatiske egenskaper.
Kompositten av polykarbonat (PC) med karbonfiber kan også gi polymermatrisen elektromagnetiske skjermingsegenskaper; skjermingseffektiviteten er imidlertid ikke særlig høy. For å oppnå den nødvendige skjermingseffektiviteten til standard elektromagnetiske skjermingsmaterialer, er det nødvendig å legge til andre metallfibre eller pulver med høy ledningsevne. Karbonfiber eller metallbelagt karbonfiber, sammensatt med metallpulver, grafen, ledende kjønrøk, etc., kan spille en brofunksjon i komposittmaterialet, og dermed forbedre den elektromagnetiske skjermingsytelsen.
4. Karbonfibermodifiserte polyamidharpikskompositter
Polyamid (PA) er en utmerket ingeniørplast, men på grunn av sin høye krystallinitet og betydelige fuktighetsabsorpsjon, er dimensjonsstabiliteten til produkter laget av dette materialet dårlig, og dens styrke og hardhet samsvarer ikke med metaller. I praktiske applikasjoner krever disse materialene ofte forsterkning med glassfiber eller karbonfiber.
Etter å ha blitt forsterket og modifisert med karbonfiber, kan de mekaniske egenskapene til PA bli kraftig forbedret. Det modifiserte materialet kan tjene både som et konstruksjonsmateriale for å tåle belastninger og som et funksjonelt materiale. For tiden fokuserer mest forskning på karbonfibermodifisert PA på effektene av overflatemodifisering av karbonfibre på grensesnittet og ytelsen til komposittene.
Studier har vist at oksidasjonsbehandling av karbonfiberoverflaten forbedrer bindingsstyrken mellom karbonfiber og PA1010. Etter hvert som volumfraksjonen av karbonfiber øker, øker først komposittens strekkfasthet og Rockwell-hardhet og reduseres deretter. Når volumfraksjonen av karbonfiber når 20%, når strekkfastheten til materialet sin maksimale verdi. I tillegg avtar friksjonskoeffisienten til materialet med økende volumfraksjon av karbonfiber, og stabiliserer seg på rundt 0,24 når volumfraksjonen av karbonfiber når 20%.
5. Karbonfibermodifiserte spesialtekniske plastkompositter
Spesiell ingeniørplast refererer til de med høyere total ytelse og langsiktige servicetemperaturer over 150 grader. Disse materialene inkluderer hovedsakelig PEEK, PPS, TPI og andre. De fleste spesielle ingeniørplaster kan tjene som matrisematerialer for termoplastiske kompositter forsterket med glassfiber, karbonfiber og aramidfiber. Karbonfiberforsterket spesialplast har utmerkede mekaniske egenskaper og prosessytelse, noe som gjør at de fullstendig kan erstatte termoherdende harpikser eller til og med metaller i applikasjoner som romfart, marine og medisinske områder.
A. Karbonfiberforsterket polyeter-eterketon (PEEK)er for tiden den høyeste temperaturbestandige termoplasten, med en langtidsbrukstemperatur på opptil 250 grader. Selv ved temperaturer så høye som 300 grader opprettholder den svært gode mekaniske egenskaper. Karbonfibermodifisert PEEK forbedrer ikke bare styrken og stivheten til materialet, men gir også ledningsevne og slitestyrkeegenskaper.
B. Termoplastisk polyimid (TPI)viser enestående termisk stabilitet, sammen med utmerket slagmotstand, strålingsbestandighet og løsemiddelbestandighet. Dessuten viser denne typen materiale eksepsjonell slitestyrke i ekstreme miljøer preget av høye temperaturer, varierende trykk og høye hastigheter. Påføring av karbonfiberforsterkning kan ytterligere forbedre ytelsen til disse materialene og utvide bruksområdet.
C. Polyfenylensulfid (PPS)er en semi-krystallinsk termoplastisk harpiks kjent for sine utmerkede mekaniske egenskaper, kjemisk motstand og selvslukkende egenskaper. I tillegg viser denne typen materiale god kompatibilitet med uorganiske mineraler og organiske fibre, noe som gjør den egnet for fremstilling av ulike kompositter med høyt fyllstoffinnhold. Termoplastiske karbonfiber PPS-kompositter viser gode mekaniske egenskaper og utmerket løsningsmiddelbestandighet. Bindingsytelsen mellom PPS og karbonfiber er også utmerket; Imidlertid er alle mekaniske egenskaper betydelig påvirket av volumfraksjonen av karbonfiberstoff. Når volumfraksjonen av karbonfiberstoff er under 50 %, forbedres alle mekaniske egenskaper til kompositten vesentlig med en økning i volumfraksjonen av karbonfiberstoff.
Ulike typer termoplastiske harpikser viser varierende grad av ytelse når de er integrert med karbonfiber, og det er også forskjeller i forberedelse og etterfølgende bearbeiding. Bare gjennom kontinuerlig eksperimentering kan de optimale løsningene bli funnet, som driver hele karbonfiberindustrien inn i neste trinn. Foreløpig har flere termoplastiske karbonfiberkompositter, som CF/PPS og CF/PEEK, vist seg å fungere godt når det gjelder ytelse, produksjon og resirkulering, noe som gjør dem til viktige områder for dyptgående forskning og utvikling på kort sikt. De siste årene har Zhi Shang New Materials jobbet for å bedre integrere kontinuerlige karbonfibre med disse termoplastiske harpiksene for å lage ensrettede bånd med mer stabile fysiske former og overlegne mekaniske egenskaper. Med fremskritt innen teknologi og utstyrsjusteringer, har muligheten for masseproduksjon av slike produkter blitt etablert.
