Ved fremstillingen af termoplastiske kulfiber bruger industrien almindeligvis disse fire limningsmidler.
Ved fremstillingen af termoplastiske kulfiberkompositter er det nødvendigt at tage fat på spørgsmålet om grænsefladebindingsstyrke mellem kulfiberen og den termoplastiske harpiks for at sikre en bedre infiltrations- og bindingseffekt i efterfølgende processer. Limningsmidler spiller en vigtig rolle i denne forbindelse. Forskellige termoplastiske matrixmaterialer har imidlertid forskellige fysiske og kemiske egenskaber, så der er behov for eksperimenter for at identificere forskellige typer limningsmidler, der opfylder de specifikke brugskrav.
For at forbedre kompatibiliteten af limningsmidler med termoplastiske harpiksbaserede kompositter, har industrien udført omfattende forskning i forskellige nye limningsmidler til forskellige termoplastiske harpikser med det formål at opnå en tæt strukturel lighed og stærke interaktioner mellem limningsmidlerne og de termoplastiske harpikser. . Efter adskillige eksperimenter og sammenlignende datavurderinger har det vist sig, at følgende fire limningsmidler er særligt velegnede: polyamid (PA), polyurethan (PU), polyarylether og polyimid (PI).
1. Polyamid (PA) Limningsmiddel
Polyamid (PA), også kendt som nylon, har fremragende kemisk stabilitet, slidstyrke og mekaniske egenskaber. Det er almindeligt anvendt i specielle fibre, ingeniørplast og termoplastiske harpiksbaserede kompositmatrixharpikser. Da PA i vid udstrækning er blevet brugt som en matrixharpiks til termoplastiske harpiksbaserede kompositter, kan valg af PA som en komponent i limningsmidlet forbedre grænsefladekompatibiliteten af termoplastiske harpiksbaserede kompositter.
Et opløsningsmiddelbaseret limningsmiddel blev fremstillet ved at opløse modificeret PA i polyoler og påføre det på afskallet T300 kulfiber. Dette førte til fremstillingen af CF/PA66-kompositter. Den gode kompatibilitet mellem limningsmidlet og nylon 66 matrixharpiksen resulterede i en synergistisk effekt af kemisk binding og fysisk adsorption, hvilket med succes forbedrede kompositternes trækstyrke og slagstyrke med henholdsvis 40,87 % og 43,59 %.
Denne metode kræver dog en betydelig mængde organiske opløsningsmidler, hvilket udgør en alvorlig trussel mod miljø- og produktionssikkerheden, og energiforbruget til tørring af opløsningsmidler er betydeligt. Derfor flytter fokus for PA-limningsmiddelforskning gradvist mod mere miljøvenlige vandbaserede limsystemer. I øjeblikket er opnåelse af stabile dispergerede PA-emulsioner under anvendelse af overfladeaktive midler og fremstilling af PA vandige limningsmidler gennem hydrofil modifikation mere modne tilgange.
2. Polyurethan (PU) Sizing Agent
Polyurethan (PU) udviser god kompatibilitet og bindingsstyrke med forskellige termoplastiske harpikser på grund af sin unikke kemiske struktur, hvilket gør det bredt anvendeligt som limningsmiddel. Ved at udnytte lighederne og kompatibiliteterne mellem urethan- og carbonatstrukturerne kan PU bruges som limningsmiddel til limning af fibrene i kulfiber (CF)/termoplastisk polycarbonat (PC) kompositter gennem en opløsningsmiddelmetode.
Den termiske stabilitet af polyurethan (PU) limningsmidlet er fremragende; det begynder kun at tabe sig ved temperaturer op til 270 grader. Dette muliggør kemisk binding med carbonatstrukturerne i polycarbonat (PC) matrixen, hvilket resulterer i en stigning i interlaminar forskydningsstyrke af kompositterne fra 38,1 MPa til 62,9 MPa, hvilket repræsenterer en forbedring på 65%.
Men med den stigende vægt på miljøspørgsmål bliver opløsningsmiddelbaserede PU-limningsmidler gradvist erstattet af vandbaserede limsystemer. Emulsionsdispersion er en af de almindeligt anvendte metoder til fremstilling af vandbaserede PU-limningsmidler. Vandbaserede emulsions-PU-limningsmidler kan opbevares i op til seks måneder under normale temperaturtørreforhold, med varmebestandighed, der når 280-300 grader, hvilket kan hæve den interlaminære forskydningsstyrke af CF/PA66-kompositter til over 78 MPa, hvilket viser en mere væsentlig forbedring.
Limningsmiddel af polyarylether
Polyarylethere er polymerer, der indeholder aromatiske ringe og etherbindinger. Velkendte eksempler omfatter polyetheretherketon (PEEK), polyphenylensulfid (PPS) og polyethersulfon (PES). De stive benzenringe og fleksible etherbindinger giver disse materialer fremragende mekaniske og termiske egenskaber, mens de også tillader nogle systemer at være krystallinske, hvilket muliggør kontinuerlig brug under høje temperaturer og fugtige forhold. De er meget udbredt som højtydende ingeniørplast og termoplastiske harpikser inden for rumfart, elektronik, energi og medicinske områder.
Den stive og stabile struktur af polyarylethere, mens den giver mange fordele, gør det dog også udfordrende for dem at reagere med andre aktive grupper, hvilket fører til svag grænsefladebinding med kulfibre (CF). Derfor er modificering af polyarylethersystemer og fremstilling af limningsmidler for at forbedre deres bindingsstyrke med CF og termoplastiske matricer blevet et prioriteret problem at løse. Stærk syrebehandling er en effektiv metode til at indføre aktive grupper i polyarylethermolekyler.
Ved at anvende en sulfoneringsbehandling blev natriumsulfonatstrukturer (-SO3Na) indført i PEEK-systemet for at fremstille et limningsmiddel. Sulfongrupperne kan danne hydrogenbindinger med grupperne på fiberoverfladen, og limningsmidlet er kompatibelt med PEEK-matricen, hvilket letter befugtningen og infiltrationen af matrixharpiksen i CF. Den interlaminære forskydningsstyrke af kompositmaterialet nåede 78,2 MPa.
Derudover blev et opløsningsmiddelbaseret hybridlimningsmiddel fremstillet ved at modificere grafenoxid (GO) med en diaminstruktur svarende til den for polyethersulfon (PES), som ikke kun introducerede aktive aminogrupper, men også forbedrede systemets termiske stabilitet. Forskellige interaktioner såsom kemisk binding, hydrogenbinding, polær tiltrækning, van der Waals-kræfter og mekanisk sammenlåsning kan opnå en stærk binding mellem limningsmidlet, GO, CF og PES-matrixen, hvilket resulterer i en forbedring på 74,1 % i grænsefladeegenskaberne af CF/PES-kompositterne.
4. Polyimid (PI) Limningsmiddel
Polyimider (PI) er højtydende polymerer, der indeholder imidringe i deres molekylære rygrad. De har en meget stiv kædestruktur og fremragende mekaniske egenskaber, hvilket gør dem til et af de højest temperaturklassificerede polymermaterialer. PI'er har fundet udbredte anvendelser inden for rumfart, militærudstyr, elektronisk kommunikation og andre områder. Blandt disse har polyetherimid (PEI) limningsmidler, som indeholder fleksible etherbindinger, vundet betydelig opmærksomhed i de seneste år som limningsmidler til høje temperaturer på grund af deres exceptionelle termiske stabilitet, forbedrede fleksibilitet, bedre opløselighed og kompatibilitet med termoplastiske harpikser.
PI-limningsmidler kan modstå høje temperaturer og opfylder støbe- og brugsbetingelserne for højtydende termoplastiske harpiksbaserede kompositter (såsom CF/PES og CF/PEEK-kompositter). Men i lighed med polyaryletherlimningsmidler resulterer den stive og stabile molekylære struktur af PI limningsmidler i lav bindingskapacitet med kulfibre (CF) og dårlig bearbejdelighed, hvilket nødvendiggør kemisk modifikation.
Modifikation af PI-limningsmidlet blev udført under anvendelse af nanopartikler ved at dispergere multi-walled carbon nanorør (MWCNT) i en dichlormethanopløsning af PEI. Ved hjælp af en opløsningsmiddelmetode blev overfladen af T300-kvalitet CF-stof behandlet. Forskning viste, at MWCNT i det blandede limningsmiddel effektivt introducerede et stort antal aktive grupper og kunne dække fiberoverfladen ensartet. Efter dimensionering kunne imidringene i PEI danne polære interaktioner og hydrogenbindinger med hydroxyl- og carboxylgrupper på MWCNT-overfladen, mens π-π-stablingsinteraktioner fandt sted mellem de aromatiske ringe af MWCNT og PEEK-matrixharpiksen. Denne modifikation hæmmede kraftigt sprækkeudbredelse, hvilket i sidste ende resulterede i en interlaminær forskydningsstyrke på 90,7 MPa for kompositmaterialet.
Strengt taget repræsenterer polyamid (PA), polyurethan (PU), polyarylether og polyimid (PI) fire kategorier af limningsmidler, som hver er skræddersyet til forskellige typer termoplastiske harpikser. Disse limsystemer gennemgår typisk forskellige modifikationer under brug for effektivt at forbedre ydeevneegenskaberne for termoplastiske kulfiberkompositter. Derudover er det væsentligt at overveje, om de eksperimentelle processer kan forårsage væsentlige negative påvirkninger af miljøet. For at finde optimale løsninger stræber adskillige eksperter og forskere både nationalt og internationalt efter at identificere de bedst egnede tilgange.
