De vijf richtingen van met koolstofvezel gemodificeerde thermoplastische harscomposieten.
Koolstofvezel is een zeldzaam hoogwaardig materiaal en het onderzoek ernaar begon meer dan een eeuw geleden. Tegenwoordig heeft de technologie en industriële ontwikkeling van koolstofvezel steun gekregen van veel landen over de hele wereld. Koolstofvezel zelf is zacht en moeilijk te vormen; Daarom kan het modificeren en verbinden met substraten zoals kunststoffen, harsen, metalen en keramiek superieure algehele prestaties en stabiele structuren opleveren die voldoen aan de eisen van industriële toepassingen.
Met koolstofvezel gemodificeerde harsen zijn een relatief succesvol type composietmateriaal, waarbij thermohardende koolstofvezelcomposieten tegenwoordig de reguliere keuze zijn. De gebruikte harsen omvatten onder meer epoxyharsen en fenolharsen. De integratie van thermoplastische harsen met koolstofvezel is een uitdaging; de algehele prestaties zijn echter beter, waardoor het een belangrijke richting is voor de toekomstige ontwikkeling van de koolstofvezelindustrie. Bij het huidige niveau van de industriële technologie is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het onderzoek naar met koolstofvezels gemodificeerde thermoplastische harscomposieten. Er zijn al met succes talloze hoogwaardige, met koolstofvezel versterkte thermoplastische composieten ontwikkeld, zoals CF/PPS en CF/PEEK unidirectionele tapes geproduceerd door Zhishang New Materials.
1. Koolstofvezelgemodificeerde polypropyleenharscomposieten
Polypropyleen (PP) is het meest gebruikte polymeermateriaal op gebieden als de automobielsector en huishoudelijke apparaten, met een jaarlijkse productie in China van meer dan 1 miljoen ton. Het modificeren van polypropyleenhars met koolstofvezel kan de sterkte en stijfheid van het composietmateriaal aanzienlijk verbeteren. Bovendien heeft de verwerking van koolstofvezel ook een aanzienlijke invloed op de vloeibaarheid en kristalliniteit van PP-materialen.
Met koolstofvezel gemodificeerde PP-materialen worden doorgaans verwerkt met behulp van smeltmengtechnieken, die hoofdzakelijk twee verwerkingsmethoden omvatten: extrusie met dubbele schroef en versterking met lange vezels. De eigenschappen van de gemodificeerde materialen worden beïnvloed door factoren zoals de hoeveelheid toegevoegde koolstofvezels, de vezellengte, compatibilisatoren en de oppervlaktebehandeling van de vezels.
Momenteel worden met lange vezels versterkte PP-composieten op grote schaal toegepast in sectoren zoals de automobiel- en maritieme industrie. Vanwege de slechte compatibiliteit tussen de PP-matrix en koolstofvezel vereist het bereiken van hoge mechanische prestaties in de composieten echter complexe oppervlaktebehandelingsprocessen voor de koolstofvezel, wat zowel de verwerkingskosten als de moeilijkheidsgraad aanzienlijk verhoogt.
2. Koolstofvezelgemodificeerde polyvinylchlorideharscomposieten
Polyvinylchloride (PVC) is een van de meest geproduceerde harsen voor algemeen gebruik in China, met belangrijke voordelen, waaronder lage kosten, goede elektrische isolatie-eigenschappen, uitstekende chemische bestendigheid en eenvoudige vormprocessen. Sommige inherente nadelen, zoals slechte taaiheid, lage slagsterkte en thermische stabiliteit, en slechte verwerkingsprestaties, beperken echter de toepassing ervan in velden met strenge eisen.
Met koolstofvezel gemodificeerde PVC-materialen kunnen de treksterkte, oppervlaktehardheid en buigsterkte van de PVC-matrix effectief verbeteren, waardoor ze geschikt zijn voor de productie van verschillende PVC-platen en -buizen.
De compatibiliteit tussen koolstofvezelfilamenten en de PVC-matrix is beter, wat resulteert in een aanzienlijk verbeterde treksterkte, buigsterkte en slagsterkte vergeleken met de PVC-matrix. Vanwege de slechte thermische stabiliteit van de PVC-matrix kunnen verwerkingsmethoden zoals onderdompeling in de smelt of mengen gemakkelijk leiden tot degradatie van de matrix. Daarom worden met koolstofvezel gemodificeerde PVC-materialen doorgaans verwerkt met behulp van lamineertechnieken.
3. Koolstofvezelgemodificeerde polycarbonaatharscomposieten
Polycarbonaat (PC) is een veelgebruikt technisch plastic dat bekend staat om zijn hoge slagvastheid en goede transparantie. Wanneer koolstofvezel wordt gemengd met pc, kan het de verschillende eigenschappen van pc verder verbeteren en de toepassingsgebieden ervan uitbreiden.
Onderzoek heeft aangetoond dat wanneer de hoeveelheid toegevoegde koolstofvezel minder dan 20% bedraagt, er een aanzienlijke verbetering optreedt in de treksterkte, buigsterkte en buigmodulus van het materiaal. De slagsterkte bereikt zijn maximum wanneer het koolstofvezelgehalte rond de 6% ligt. Wanneer het koolstofvezelgehalte tussen 10% en 20% ligt, kan de oppervlakteweerstand van het materiaal 8×10^9 Ω·cm bereiken, wat uitstekende antistatische eigenschappen oplevert.
Het composiet van polycarbonaat (PC) met koolstofvezel kan ook elektromagnetische afschermende eigenschappen aan de polymeermatrix verlenen; het afschermingsrendement is echter niet erg hoog. Om de vereiste afschermingseffectiviteit van standaard elektromagnetische afschermingsmaterialen te bereiken, is het noodzakelijk om andere hooggeleidende metaalvezels of poeders toe te voegen. Koolstofvezel of met metaal beklede koolstofvezel kan, indien gemengd met metaalpoeders, grafeen, geleidend roet, enz., een overbruggende rol spelen in het composietmateriaal, waardoor de elektromagnetische afschermingsprestaties worden verbeterd.
4. Koolstofvezelgemodificeerde polyamideharscomposieten
Polyamide (PA) is een uitstekende technische kunststof, maar vanwege de hoge kristalliniteit en de aanzienlijke vochtopname is de maatvastheid van producten gemaakt van dit materiaal slecht en komen de sterkte en hardheid niet overeen met die van metalen. In praktische toepassingen vereisen deze materialen vaak versterking met glasvezel of koolstofvezel.
Na te zijn versterkt en gemodificeerd met koolstofvezel kunnen de mechanische eigenschappen van PA aanzienlijk worden verbeterd. Het gemodificeerde materiaal kan zowel dienen als constructief materiaal om belastingen te dragen als als functioneel materiaal. Momenteel richt het meeste onderzoek naar met koolstofvezels gemodificeerde PA zich op de effecten van oppervlaktemodificatie van koolstofvezels op het grensvlak en de prestaties van de composieten.
Uit onderzoek is gebleken dat de oxidatiebehandeling van het koolstofvezeloppervlak de hechtsterkte tussen koolstofvezel en PA1 verbetert010. Naarmate de volumefractie van koolstofvezel toeneemt, nemen de treksterkte en Rockwell-hardheid van het composiet aanvankelijk toe en vervolgens af. Wanneer de volumefractie van koolstofvezel 20% bereikt, bereikt de treksterkte van het materiaal zijn maximale waarde. Bovendien neemt de wrijvingscoëfficiënt van het materiaal af met een toenemende volumefractie van koolstofvezel, en stabiliseert zich op ongeveer 0,24 wanneer de volumefractie van koolstofvezel 20% bereikt.
5. Koolstofvezel gemodificeerde speciale technische kunststof composieten
Speciale technische kunststoffen verwijzen naar kunststoffen met hogere algehele prestaties en langdurige gebruikstemperaturen boven 150 graden. Deze materialen omvatten voornamelijk PEEK, PPS, TPI en andere. De meeste speciale technische kunststoffen kunnen dienen als matrixmaterialen voor thermoplastische composieten versterkt met glasvezel, koolstofvezel en aramidevezel. Met koolstofvezel versterkte speciale technische kunststoffen beschikken over uitstekende mechanische eigenschappen en verwerkingsprestaties, waardoor ze thermohardende harsen of zelfs metalen volledig kunnen vervangen in toepassingen zoals de lucht- en ruimtevaart, de scheepvaart en de medische sector.
A. Met koolstofvezel versterkt polyetheretherketon (PEEK)is momenteel de hoogst temperatuurbestendige thermoplast, met een gebruikstemperatuur tot 250 graden op lange termijn. Zelfs bij temperaturen tot 300 graden behoudt het zeer goede mechanische eigenschappen. Met koolstofvezel gemodificeerde PEEK verbetert niet alleen de sterkte en stijfheid van het materiaal, maar zorgt ook voor geleidbaarheid en slijtvastheid.
B. Thermoplastisch polyimide (TPI)vertoont uitstekende thermische stabiliteit, samen met uitstekende slagvastheid, stralingsweerstand en weerstand tegen oplosmiddelen. Bovendien vertoont dit type materiaal een uitzonderlijke slijtvastheid in extreme omgevingen die worden gekenmerkt door hoge temperaturen, variërende drukken en hoge snelheden. De toepassing van koolstofvezelversterking kan de prestaties van deze materialen verder verbeteren en hun toepassingsbereik uitbreiden.
C. Polyfenyleensulfide (PPS)is een semi-kristallijne thermoplastische hars die bekend staat om zijn uitstekende mechanische eigenschappen, chemische weerstand en zelfdovende eigenschappen. Bovendien vertoont dit type materiaal een goede compatibiliteit met anorganische mineralen en organische vezels, waardoor het geschikt is voor de bereiding van diverse composieten met een hoog vulstofgehalte. Thermoplastische koolstofvezel-PPS-composieten vertonen goede mechanische eigenschappen en uitstekende oplosmiddelbestendigheid. De hechtingsprestaties tussen PPS en koolstofvezel zijn ook uitstekend; alle mechanische eigenschappen worden echter aanzienlijk beïnvloed door de volumefractie van koolstofvezelweefsel. Wanneer de volumefractie van koolstofvezelweefsel minder dan 50% bedraagt, verbeteren alle mechanische eigenschappen van het composiet aanzienlijk met een toename van de volumefractie van koolstofvezelweefsel.
Verschillende soorten thermoplastische harsen vertonen verschillende prestatiegraden wanneer ze worden geïntegreerd met koolstofvezel, en er zijn ook verschillen in voorbereiding en daaropvolgende verwerking. Alleen door voortdurend te experimenteren kunnen de optimale oplossingen worden gevonden, waardoor de gehele koolstofvezelindustrie naar de volgende fase kan worden gestuwd. Momenteel is aangetoond dat verschillende thermoplastische koolstofvezelcomposieten, zoals CF/PPS en CF/PEEK, goed presteren op het gebied van prestaties, productie en recycling, waardoor ze op korte termijn belangrijke gebieden zijn voor diepgaand onderzoek en ontwikkeling. De afgelopen jaren heeft Zhi Shang New Materials gewerkt aan een betere integratie van continue koolstofvezels met deze thermoplastische harsen om unidirectionele tapes te creëren met stabielere fysieke vormen en superieure mechanische eigenschappen. Met de vooruitgang in de technologie en aanpassingen van de apparatuur is de mogelijkheid voor massaproductie van dergelijke producten ontstaan.
