Päť smerov kompozitov z termoplastickej živice modifikovaných uhlíkovými vláknami.
Uhlíkové vlákno je vzácny vysokovýkonný materiál a jeho výskum sa začal pred viac ako storočím. V súčasnosti má technológia a priemyselný rozvoj uhlíkových vlákien podporu z mnohých krajín po celom svete. Samotné uhlíkové vlákno je mäkké a ťažko tvarovateľné; preto jeho modifikácia a zmiešanie so substrátmi, ako sú plasty, živice, kovy a keramika, môže poskytnúť vynikajúci celkový výkon a stabilné štruktúry, ktoré spĺňajú požiadavky priemyselných aplikácií.
Živice modifikované uhlíkovými vláknami sú relatívne úspešným typom kompozitného materiálu, pričom dnes sú hlavnou voľbou termosetové kompozity s uhlíkovými vláknami. Medzi použité živice patria okrem iného epoxidové živice a fenolové živice. Integrácia termoplastických živíc s uhlíkovými vláknami je náročná; celkový výkon je však lepší, čo z neho robí dôležitý smer pre budúci rozvoj priemyslu uhlíkových vlákien. Pri súčasnej úrovni priemyselných technológií sa dosiahol významný pokrok vo výskume kompozitov z termoplastickej živice modifikovanej uhlíkovými vláknami. Už bolo úspešne vyvinutých množstvo vysokovýkonných termoplastických kompozitov vystužených uhlíkovými vláknami, ako sú jednosmerné pásky CF/PPS a CF/PEEK vyrábané spoločnosťou Zhishang New Materials.
1. Polypropylénové živicové kompozity modifikované uhlíkovými vláknami
Polypropylén (PP) je najpoužívanejším polymérnym materiálom v oblastiach, ako je automobilový priemysel a domáce spotrebiče, pričom ročná produkcia v Číne presahuje 1 milión ton. Modifikácia polypropylénovej živice uhlíkovými vláknami môže výrazne zlepšiť pevnosť a tuhosť kompozitného materiálu. Okrem toho má začlenenie uhlíkových vlákien tiež značný vplyv na tekutosť a kryštalinitu PP materiálov.
PP materiály modifikované uhlíkovými vláknami sa zvyčajne spracúvajú pomocou techník miešania taveniny, ktoré zahŕňajú najmä dve metódy spracovania: extrúziu s dvoma závitovkami a vystuženie dlhými vláknami. Vlastnosti modifikovaných materiálov sú ovplyvnené faktormi, ako je množstvo pridaného uhlíkového vlákna, dĺžka vlákna, kompatibilizátory a povrchová úprava vlákien.
V súčasnosti sú PP kompozity vystužené dlhými vláknami široko používané v odvetviach, ako je automobilový a námorný priemysel. Avšak kvôli zlej kompatibilite medzi PP matricou a uhlíkovými vláknami si dosiahnutie vysokého mechanického výkonu v kompozitoch vyžaduje zložité procesy povrchovej úpravy uhlíkových vlákien, čo výrazne zvyšuje náklady na spracovanie aj náročnosť.
2. Kompozity polyvinylchloridovej živice modifikované uhlíkovými vláknami
Polyvinylchlorid (PVC) je jednou z najrozšírenejších univerzálnych živíc v Číne s kľúčovými výhodami vrátane nízkej ceny, dobrých elektrických izolačných vlastností, vynikajúcej chemickej odolnosti a jednoduchých lisovacích procesov. Avšak niektoré inherentné nevýhody, ako je slabá húževnatosť, nízka rázová húževnatosť a tepelná stabilita, a slabý výkon spracovania obmedzujú jeho použitie v oblastiach s prísnymi požiadavkami.
PVC materiály modifikované uhlíkovými vláknami môžu účinne zvýšiť pevnosť v ťahu, povrchovú tvrdosť a pevnosť v ohybe matrice PVC, vďaka čomu sú vhodné na výrobu rôznych PVC fólií a rúr.
Kompatibilita medzi vláknami z uhlíkových vlákien a matricou z PVC je lepšia, výsledkom čoho je výrazne lepšia pevnosť v ťahu, pevnosť v ohybe a rázová pevnosť v porovnaní s matricou z PVC. Kvôli zlej tepelnej stabilite matrice PVC môžu spôsoby spracovania, ako je ponorenie do taveniny alebo miešanie, ľahko viesť k degradácii matrice. Preto sa PVC materiály modifikované uhlíkovými vláknami zvyčajne spracovávajú pomocou techník laminácie.
3. Polykarbonátové živicové kompozity modifikované uhlíkovými vláknami
Polykarbonát (PC) je široko používaný technický plast známy svojou vysokou rázovou húževnatosťou a dobrou transparentnosťou. Keď sa uhlíkové vlákna zmiešajú s PC, môžu ďalej zlepšiť rôzne vlastnosti PC a rozšíriť jeho aplikačné oblasti.
Výskum ukázal, že keď je množstvo pridaného uhlíkového vlákna nižšie ako 20 %, dochádza k výraznému zvýšeniu pevnosti v ťahu, pevnosti v ohybe a modulu pružnosti v ohybe materiálu. Rázová húževnatosť dosahuje maximum, keď je obsah uhlíkových vlákien okolo 6 %. Keď je obsah uhlíkových vlákien medzi 10% a 20%, povrchový odpor materiálu môže dosiahnuť 8×10^9 Ω·cm, čo poskytuje vynikajúce antistatické vlastnosti.
Kompozit z polykarbonátu (PC) s uhlíkovými vláknami môže tiež poskytnúť vlastnosti elektromagnetického tienenia polymérnej matrici; účinnosť tienenia však nie je príliš vysoká. Na dosiahnutie požadovanej účinnosti tienenia štandardných elektromagnetických tieniacich materiálov je potrebné pridať ďalšie vysokovodivé kovové vlákna alebo prášky. Uhlíkové vlákno alebo uhlíkové vlákno potiahnuté kovom, keď sú zmiešané s kovovými práškami, grafénom, vodivými sadzami atď., môžu hrať premosťujúcu úlohu v kompozitnom materiáli, čím sa zvyšuje výkon elektromagnetického tienenia.
4. Kompozity polyamidovej živice modifikované uhlíkovými vláknami
Polyamid (PA) je vynikajúci technický plast, ale vzhľadom na jeho vysokú kryštalinitu a výraznú absorpciu vlhkosti je rozmerová stálosť výrobkov vyrobených z tohto materiálu zlá a jeho pevnosť a tvrdosť nezodpovedajú pevnosti a tvrdosti kovov. V praktických aplikáciách tieto materiály často vyžadujú vystuženie sklenenými vláknami alebo uhlíkovými vláknami.
Po vystužení a úprave uhlíkovými vláknami môžu byť mechanické vlastnosti PA výrazne vylepšené. Modifikovaný materiál môže slúžiť ako konštrukčný materiál na znášanie zaťaženia, tak aj ako funkčný materiál. V súčasnosti sa väčšina výskumov PA modifikovaného uhlíkovými vláknami zameriava na účinky povrchovej modifikácie uhlíkových vlákien na rozhranie a výkon kompozitov.
Štúdie ukázali, že oxidačná úprava povrchu uhlíkových vlákien zlepšuje pevnosť spojenia medzi uhlíkovými vláknami a PA1010. So zvyšujúcim sa objemovým podielom uhlíkových vlákien sa pevnosť v ťahu a tvrdosť podľa Rockwella spočiatku zvyšujú a potom znižujú. Keď objemový podiel uhlíkových vlákien dosiahne 20 %, pevnosť v ťahu materiálu dosiahne svoju maximálnu hodnotu. Okrem toho koeficient trenia materiálu klesá so zvyšujúcim sa objemovým podielom uhlíkových vlákien a stabilizuje sa na približne 0,24, keď objemový podiel uhlíkového vlákna dosiahne 20 %.
5. Špeciálne technické plastové kompozity modifikované uhlíkovými vláknami
Špeciálne technické plasty sa vzťahujú na plasty s vyšším celkovým výkonom a dlhodobou prevádzkovou teplotou nad 150 stupňov. Medzi tieto materiály patria najmä PEEK, PPS, TPI a iné. Väčšina špeciálnych technických plastov môže slúžiť ako matricové materiály pre termoplastické kompozity vystužené sklenenými vláknami, uhlíkovými vláknami a aramidovými vláknami. Špeciálne technické plasty vystužené uhlíkovými vláknami majú vynikajúce mechanické vlastnosti a výkon pri spracovaní, čo im umožňuje úplne nahradiť teplom tvrditeľné živice alebo dokonca kovy v aplikáciách, ako je letecký, námorný a medicínsky obor.
A. Polyéteréterketón vystužený uhlíkovými vláknami (PEEK)je v súčasnosti termoplast s najvyššou teplotnou odolnosťou, s teplotou dlhodobého používania až 250 stupňov. Aj pri teplotách až 300 stupňov si zachováva veľmi dobré mechanické vlastnosti. PEEK modifikovaný uhlíkovými vláknami nielen zvyšuje pevnosť a tuhosť materiálu, ale tiež dodáva vlastnosti vodivosti a odolnosti proti opotrebovaniu.
B. Termoplastický polyimid (TPI)vykazuje vynikajúcu tepelnú stabilitu spolu s vynikajúcou odolnosťou proti nárazu, odolnosťou voči žiareniu a odolnosťou voči rozpúšťadlám. Okrem toho tento typ materiálu vykazuje výnimočnú odolnosť proti opotrebovaniu v extrémnych prostrediach charakterizovaných vysokými teplotami, premenlivými tlakmi a vysokými rýchlosťami. Aplikácia výstuže z uhlíkových vlákien môže ďalej zvýšiť výkon týchto materiálov a rozšíriť rozsah ich použitia.
C. Polyfenylénsulfid (PPS)je semikryštalická termoplastická živica známa svojimi vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami, chemickou odolnosťou a samozhášavosťou. Okrem toho tento typ materiálu vykazuje dobrú kompatibilitu s anorganickými minerálmi a organickými vláknami, vďaka čomu je vhodný na prípravu rôznych kompozitov s vysokým obsahom plniva. Kompozity PPS z termoplastických uhlíkových vlákien vykazujú dobré mechanické vlastnosti a vynikajúcu odolnosť voči rozpúšťadlám. Spojenie medzi PPS a uhlíkovými vláknami je tiež vynikajúce; všetky mechanické vlastnosti sú však výrazne ovplyvnené objemovým podielom tkaniny z uhlíkových vlákien. Keď je objemový podiel tkaniny z uhlíkových vlákien nižší ako 50 %, všetky mechanické vlastnosti kompozitu sa podstatne zlepšujú so zvýšením objemového podielu tkaniny z uhlíkových vlákien.
Rôzne typy termoplastických živíc vykazujú rôzne stupne výkonu, keď sú integrované s uhlíkovými vláknami, a existujú aj rozdiely v príprave a následnom spracovaní. Jedine neustálym experimentovaním možno nájsť optimálne riešenia, ktoré posunú celý priemysel uhlíkových vlákien do ďalšej fázy. V súčasnosti sa preukázalo, že niekoľko kompozitov z termoplastických uhlíkových vlákien, ako napríklad CF/PPS a CF/PEEK, funguje dobre z hľadiska výkonu, výroby a recyklácie, čo z nich robí z krátkodobého hľadiska dôležité oblasti pre hĺbkový výskum a vývoj. V posledných rokoch spoločnosť Zhi Shang New Materials pracuje na lepšej integrácii súvislých uhlíkových vlákien s týmito termoplastickými živicami, aby sa vytvorili jednosmerné pásky so stabilnejšími fyzikálnymi formami a vynikajúcimi mechanickými vlastnosťami. S pokrokom v technológiách a úpravách zariadení sa vytvorila schopnosť hromadnej výroby takýchto produktov.
