La fibra di carbonio termoplastica è una direzione importante per il futuro sviluppo dell’industria della fibra di carbonio. Grazie alle sue elevate proprietà meccaniche e alle caratteristiche di lavorazione rimodellabile, può svolgere un ruolo maggiore nella lavorazione e nel riutilizzo dei prodotti termoplastici in fibra di carbonio. La fibra di carbonio termoplastica è adatta per settori di fascia alta come l'aerospaziale e l'aviazione. Ha una migliore resistenza alle alte temperature e scenari applicativi più completi. In questa fase, non ci sono molti tipi di fibre di carbonio termoplastiche che possono essere preparate in lotti, tra cui CF/PEEK, CF/PPS, CF/PA, ecc.
Per soddisfare le effettive esigenze di utilizzo dell'industria aerospaziale e di altre industrie, potrebbe essere necessario modificare in una certa misura i materiali compositi di cui sopra, ad esempio aumentandone la tenacità. Se si vuole aumentare la tenacità dei compositi termoplastici si può partire da molti aspetti, come l'aggiunta di agenti tenacizzanti o l'aggiunta di altri rinforzi. È inoltre possibile utilizzare metodi fisici o chimici per modificare e rinforzare la superficie della fibra di carbonio. Puoi anche migliorare il processo di stampaggio. La regolazione favorisce l'effetto indurente dei materiali compositi.
1. Miscelazione e indurimento dell'agente tenacizzante: nella modifica del materiale composito, la modifica della miscelazione fisica è il metodo di modifica più semplice e più comunemente utilizzato. Le proprietà dei compositi termoplastici in fibra di carbonio sono strettamente correlate allo stato di legame dell'interfaccia tra fibra di carbonio e matrice di resina termoplastica. Per aumentare la tenacità del materiale composito, è possibile aggiungere un determinato agente indurente per migliorare l'effetto di legame dell'interfaccia dei materiali e aumentare la tenacità del materiale composito.
L'anidride maleica (MAH) può reagire con la poliammide (PA) per compatibilizzarla. I due hanno una buona compatibilità. Grazie alla buona compatibilità tra MAH e PA, l'agente indurente può essere rapidamente disperso nella matrice PA. La ricerca mostra che per i materiali compositi PA6/CF, l'aggiunta dell'agente indurente POE‑g‑MAH può migliorare significativamente le proprietà di impatto dei materiali compositi. La resistenza agli urti è aumentata da 6,2 kJ/m2 a 9,0kJ/m2 e l'effetto di indurimento è evidente.
Svantaggi: una quantità ragionevole di agente indurente può contribuire a migliorare la tenacità dei materiali compositi, ma un aumento del contenuto dell'agente indurente può portare a problemi come una dimensione eccessiva delle particelle e un effetto di dispersione ridotto, influenzando altre proprietà meccaniche del materiale, quindi è necessario essere controllato Aggiunta adeguata di rinforzanti.
2. Rinforzo ibrido di rinforzo: oltre alla fibra di carbonio e alla resina termoplastica, altri materiali di rinforzo, come fibra di vetro (GF), fibra aramidica (AF) e nanotubi di carbonio, vengono aggiunti ai materiali compositi in fibra di carbonio termoplastica per migliorare la fibra di carbonio termoplastica La tenacità dei materiali compositi può anche ottenere l'effetto di indurimento.
Gli esperimenti mostrano che CF, GF e POE‑g‑MAH verranno aggiunti al PA66 per preparare materiali PA66 rinforzati con fibra composita ibrida/POE‑g‑MAH. Quando la quantità di aggiunta di fibra di vetro è del 15%, l'effetto di indurimento è il migliore, che è migliore di CF. La resistenza all'impatto del solo riempimento è aumentata del 34,02% e l'effetto di miglioramento era evidente. Quando si preparano materiali compositi CF/PET, la fibra aramidica viene rivestita per essere modificata. La resistenza agli urti del materiale composito è notevolmente migliorata. La resistenza agli urti del materiale composito aumenta del 65,8% con uno strato di rivestimento e del 45,6% con due strati di rivestimento. L'effetto indurente è notevolmente migliorato.
Alcuni studi hanno scoperto che i vantaggi di due materiali di rinforzo, CF e nanotubi di halloysite (HNT), sono stati combinati per studiare l'effetto dell'indurimento sinergico e del rinforzo di HNT e CF su PA6. I risultati dei test sulle proprietà meccaniche mostrano che PA6/30%CF/10%HNT ha una resistenza agli urti massima di 8,9 kJ/m2, gli HNT hanno un effetto tenacizzante sui materiali compositi PA6/CF e HNT e CF hanno un effetto sinergico nella tenacizzazione.
3. Trattamento superficiale della fibra di carbonio: la fibra di carbonio non modificata è fragile, ha una forte inerzia superficiale e manca di gruppi attivi, con conseguente scarsa compatibilità tra la fibra di carbonio e la matrice di resina termoplastica e la struttura dell'interfaccia e le prestazioni ne risentono. Mediante il trattamento superficiale della fibra di carbonio, è possibile aumentarne l'attività chimica superficiale, l'energia libera superficiale o la ruvidità superficiale, il che può aiutare a migliorare il grado di bagnatura tra la fibra di carbonio e la matrice termoplastica, migliorando così le prestazioni complessive del materiale composito, compreso il proprio tenacità. Esistono molti modi per trattare la superficie della fibra di carbonio, compreso il trattamento con agenti di collatura, la modifica fisica della superficie e la modifica chimica della superficie.
Il miglioramento delle proprietà dell'interfaccia dei materiali compositi mediante agenti collanti può essere ottenuto attraverso effetti fisici come infiltrazione e adesione, nonché effetti chimici attraverso la combinazione di un gran numero di gruppi attivi sulla superficie della fibra di carbonio con la matrice per produrre covalenti obbligazioni. I dati sperimentali mostrano che le materie prime come l'acido adipico vengono condensate allo stato fuso per formare copoliammide termoplastica, che viene formulata in un agente di collatura (co-PA) per modificare il materiale composito PA6/CF. Con un contenuto ottimale di agente collante pari al 4%, la resistenza al taglio interfacciale (IFSS) del materiale composito raggiunge 37,6 MPa, che è superiore del 43,76% rispetto a quella del PA6/CF non collato.
Altri metodi di modifica fisica per la superficie della fibra di carbonio includono la dispersione ultrasonica, il trattamento con tensioattivi e la deposizione elettrochimica. I dati sperimentali mostrano che il polidiallildimetilammonio cloruro (PDDA) è stato utilizzato per modificare l'ossido di grafene (P‑SG) e miscelato con CF per il trattamento ad ultrasuoni, in modo che P‑SG sia stato attaccato con successo alla superficie CF per ottenere compositi PA6/C ‑SG. La conclusione è che la resistenza all’urto dei materiali compositi modificati aumenta significativamente con l’aumento del contenuto di fibra di carbonio. Quando il contenuto di fibra di carbonio è del 13%, la resistenza all'impatto è di 36,52 kJ/m2 e la prestazione all'impatto aumenta del 113,17%.
La modifica chimica della superficie della fibra di carbonio consiste nel mettere la fibra di carbonio in un ambiente di soluzione e modificare selettivamente la superficie del materiale per fornire più gruppi attivi e aumentare la forza di legame dell'interfaccia; oppure utilizzare altri solventi per migliorare la ruvidità della superficie CF per controllare le proprietà chimiche della superficie, tra cui il metodo dell'agente di accoppiamento è uno dei metodi di modifica chimica più comunemente utilizzati. I dati sperimentali mostrano che quando la superficie della fibra di carbonio viene modificata chimicamente con un agente di accoppiamento silanico (KH550) per preparare materiali compositi PA6/CF, i risultati dei test di impatto senza intaglio mostrano che quando il contenuto di fibra di carbonio modificato è del 20%, la resistenza all'urto senza intaglio di PA6/CF raggiunge il valore massimo (18,5±0,6) kJ/m2, che è superiore del 52% rispetto al corrispondente contenuto non trattato.
4. Controllo del processo di lavorazione e stampaggio: anche lo stampaggio e la lavorazione di fogli compositi in fibra di carbonio termoplastica e la tecnologia di connessione dei componenti del materiale sono fattori importanti che influenzano le proprietà finali del materiale. Controllando la temperatura di stampaggio, la pressione di stampaggio, ecc. durante il processo di stampaggio del materiale, è possibile controllare la situazione di legame dell'interfaccia del materiale composito e modificare le prestazioni dell'interfaccia.
Maggiore è la temperatura di stampaggio, minore è la viscosità della matrice resinosa, migliore è la fluidità, più completa è l'infiltrazione della fibra di carbonio e maggiore è l'area di contatto dell'interfaccia. Pertanto, a parità di estensione della fessura, maggiore è il valore del carico richiesto affinché il campione si strappi, ovvero I Maggiore è la tenacità alla frattura interlaminare. Per quanto riguarda la pressione di stampaggio, ad alta pressione, a causa dell'ostruzione del movimento della catena molecolare, la resina e la matrice non possono essere infiltrate meglio, quindi è necessario selezionare condizioni appropriate di stampaggio a pressione. Una velocità di raffreddamento adeguata può anche migliorare la tenacità dei materiali compositi.
Inoltre, anche i diversi metodi di stampaggio hanno un impatto significativo sulla meccanica finale e su altre proprietà del materiale. I dati sperimentali mostrano che sono stati confrontati i materiali compositi ABS/CF utilizzando il processo di estrusione/iniezione e il processo di stampaggio a iniezione/termoplastica a fibra lunga (LFT) e gli effetti dei due processi sulla distribuzione della lunghezza delle fibre, sulla trazione, sull'impatto e su altre proprietà del materiale sono stati confrontati. Influenza. I risultati mostrano che la lunghezza minima del CF nei compositi ABS/L‑CF è circa 3 volte la lunghezza massima della fibra nei compositi ABS/E‑CF. La resistenza agli urti dell'ABS/L‑CF è superiore di circa il 105%~155% rispetto a quella dell'ABS/ECF.
La ricerca sui compositi termoplastici in fibra di carbonio in patria e all’estero non si è mai fermata e l’aumento della tenacità è solo una delle direzioni di ricerca. Essendo un nuovo materiale composito all’avanguardia, la fibra di carbonio termoplastica ha un enorme potenziale, ma è altrettanto difficile trasformarlo in assistenza industriale. Se si vuole sfruttare in modo più completo e maturo le proprietà della fibra di carbonio termoplastica, è indispensabile la ricerca in direzioni come quella della tenacizzazione. Solo se le basi sono sufficientemente solide lo sviluppo dell’industria della fibra di carbonio potrà essere sufficientemente solido.