De fem retninger af kulfibermodificerede termoplastiske harpikskompositter.
Kulfiber er et sjældent højtydende materiale, og forskningen i det begyndte for over et århundrede siden. I dag har teknologien og industriudviklingen af kulfiber modtaget støtte fra mange lande rundt om i verden. Kulfiber i sig selv er bløde og svære at forme; Derfor kan modificering og sammensætning af den med substrater som plast, harpiks, metaller og keramik give overlegen generel ydeevne og stabile strukturer, der opfylder industrielle anvendelseskrav.
Kulfibermodificerede harpikser er en relativt vellykket type kompositmateriale, hvor termohærdende kulfiberkompositter er det almindelige valg i dag. De anvendte harpikser omfatter blandt andet epoxyharpikser og phenolharpikser. Integrationen af termoplastiske harpikser med kulfiber er udfordrende; den samlede ydeevne er dog bedre, hvilket gør det til en vigtig retning for den fremtidige udvikling af kulfiberindustrien. Under det nuværende niveau af industriel teknologi er der gjort betydelige fremskridt i forskningen i kulfibermodificerede termoplastiske harpikskompositter. Adskillige højtydende kontinuerlige kulfiberforstærkede termoplastiske kompositter er allerede blevet udviklet med succes, såsom CF/PPS og CF/PEEK ensrettede tape produceret af Zhishang New Materials.
1. Kulfibermodificerede polypropylenharpikskompositter
Polypropylen (PP) er det mest udbredte polymermateriale inden for områder som bilindustrien og husholdningsapparater, med en årlig produktion i Kina på over 1 million tons. Modificering af polypropylenharpiks med kulfiber kan forbedre styrken og stivheden af kompositmaterialet betydeligt. Derudover har inkorporeringen af kulfiber også en betydelig indvirkning på flydeevnen og krystalliniteten af PP-materialer.
Kulfibermodificerede PP-materialer behandles typisk ved hjælp af smelteblandingsteknikker, som hovedsageligt omfatter to forarbejdningsmetoder: dobbeltskrueekstrudering og langfiberforstærkning. Egenskaberne af de modificerede materialer er påvirket af faktorer såsom mængden af tilsat kulfiber, fiberlængde, kompatibilisatorer og overfladebehandling af fibrene.
I øjeblikket er langfiberforstærkede PP-kompositter blevet brugt i vid udstrækning i sektorer som bilindustrien og marineindustrien. Men på grund af den dårlige kompatibilitet mellem PP-matrixen og kulfiberen kræver opnåelse af høj mekanisk ydeevne i kompositterne komplekse overfladebehandlingsprocesser for kulfiberen, hvilket markant øger både forarbejdningsomkostninger og -besvær.
2. Kulfibermodificerede polyvinylchloridharpikskompositter
Polyvinylchlorid (PVC) er en af de mest udbredte harpikser til generelle formål i Kina, med vigtige fordele, herunder lave omkostninger, gode elektriske isoleringsegenskaber, fremragende kemisk resistens og enkle støbeprocesser. Imidlertid begrænser nogle iboende ulemper såsom dårlig sejhed, lav slagstyrke og termisk stabilitet og dårlig bearbejdningsydelse dets anvendelse i områder med strenge krav.
Kulfibermodificerede PVC-materialer kan effektivt forbedre PVC-matrixens trækstyrke, overfladehårdhed og bøjningsstyrke, hvilket gør dem velegnede til produktion af forskellige PVC-plader og -rør.
Kompatibiliteten mellem kulfiberfilamenter og PVC-matrixen er bedre, hvilket resulterer i væsentligt forbedret trækstyrke, bøjningsstyrke og slagstyrke sammenlignet med PVC-matrixen. På grund af PVC-matrixens dårlige termiske stabilitet kan forarbejdningsmetoder såsom smeltedypning eller blanding let føre til nedbrydning af matrixen. Derfor behandles kulfibermodificerede PVC-materialer typisk ved hjælp af lamineringsteknikker.
3. Kulfibermodificerede polycarbonatharpikskompositter
Polycarbonat (PC) er en meget brugt ingeniørplast kendt for sin høje slagstyrke og gode gennemsigtighed. Når kulfiber blandes med pc, kan det yderligere forbedre pc'ens forskellige egenskaber og udvide dets anvendelsesområde.
Forskning har vist, at når mængden af tilsat kulfiber er under 20%, er der en betydelig forbedring af materialets trækstyrke, bøjningsstyrke og bøjningsmodul. Slagstyrken når sit maksimum, når kulfiberindholdet er omkring 6%. Når kulfiberindholdet er mellem 10% og 20%, kan materialets overfladeresistivitet nå 8×10^9 Ω·cm, hvilket giver fremragende antistatiske egenskaber.
Kompositten af polycarbonat (PC) med kulfiber kan også bibringe polymermatrixen elektromagnetiske afskærmningsegenskaber; dog er afskærmningseffektiviteten ikke særlig høj. For at opnå den påkrævede afskærmningseffektivitet af standard elektromagnetiske afskærmningsmaterialer er det nødvendigt at tilføje andre metalfibre eller pulvere med høj ledningsevne. Kulfiber eller metalbelagt kulfiber kan, når de blandes med metalpulver, grafen, ledende kulsort osv., spille en brofunktion i kompositmaterialet og derved forbedre den elektromagnetiske afskærmningsydelse.
4. Kulfibermodificerede polyamidharpikskompositter
Polyamid (PA) er en fremragende ingeniørplast, men på grund af dens høje krystallinitet og betydelige fugtabsorption er dimensionsstabiliteten af produkter fremstillet af dette materiale dårlig, og dens styrke og hårdhed svarer ikke til metallernes. I praktiske anvendelser kræver disse materialer ofte forstærkning med glasfiber eller kulfiber.
Efter at være blevet forstærket og modificeret med kulfiber, kan PA's mekaniske egenskaber forbedres betydeligt. Det modificerede materiale kan både tjene som et konstruktionsmateriale til at bære belastninger og som et funktionelt materiale. I øjeblikket fokuserer det meste af forskningen i kulfibermodificeret PA på virkningerne af overflademodifikation af kulfibre på kompositternes grænseflade og ydeevne.
Undersøgelser har vist, at oxidationsbehandling af kulfiberoverfladen forbedrer bindingsstyrken mellem kulfiber og PA1010. Efterhånden som volumenfraktionen af kulfiber stiger, stiger kompositmaterialets trækstyrke og Rockwell-hårdhed først og falder derefter. Når volumenfraktionen af kulfiber når 20%, når materialets trækstyrke sin maksimale værdi. Derudover falder materialets friktionskoefficient med stigende volumenfraktion af kulfiber, og stabiliseres på omkring 0,24, når volumenfraktionen af kulfiber når 20%.
5. Carbon Fiber Modificeret Special Engineering Plastic Composites
Speciel ingeniørplast refererer til dem med højere generel ydeevne og langsigtede servicetemperaturer over 150 grader. Disse materialer omfatter hovedsageligt PEEK, PPS, TPI og andre. De fleste specielle ingeniørplaster kan tjene som matrixmaterialer til termoplastiske kompositter forstærket med glasfiber, kulfiber og aramidfiber. Kulfiberforstærket speciel ingeniørplast har fremragende mekaniske egenskaber og forarbejdningsydeevne, hvilket gør det muligt for dem fuldstændig at erstatte termohærdende harpikser eller endda metaller i applikationer såsom rumfart, marine og medicinske områder.
A. Kulfiberforstærket polyetheretherketon (PEEK)er i øjeblikket den højeste temperaturbestandige termoplast, med en langvarig brugstemperatur på op til 250 grader. Selv ved temperaturer så høje som 300 grader bevarer den meget gode mekaniske egenskaber. Kulfibermodificeret PEEK forbedrer ikke kun materialets styrke og stivhed, men giver også ledningsevne og slidstyrkeegenskaber.
B. Termoplastisk polyimid (TPI)udviser enestående termisk stabilitet sammen med fremragende slagfasthed, strålingsbestandighed og opløsningsmiddelbestandighed. Desuden udviser denne type materiale enestående slidstyrke i ekstreme miljøer karakteriseret ved høje temperaturer, varierende tryk og høje hastigheder. Anvendelsen af kulfiberforstærkning kan yderligere forbedre ydeevnen af disse materialer og udvide deres anvendelsesområde.
C. Polyphenylensulfid (PPS)er en semi-krystallinsk termoplastisk harpiks kendt for sine fremragende mekaniske egenskaber, kemisk resistens og selvslukkende egenskaber. Derudover viser denne type materiale god kompatibilitet med uorganiske mineraler og organiske fibre, hvilket gør det velegnet til fremstilling af forskellige kompositter med højt fyldstofindhold. Termoplastiske kulfiber PPS-kompositter udviser gode mekaniske egenskaber og fremragende opløsningsmiddelresistens. Bindeevnen mellem PPS og kulfiber er også fremragende; dog er alle mekaniske egenskaber væsentligt påvirket af volumenfraktionen af kulfiberstof. Når volumenfraktionen af kulfiberstof er under 50%, forbedres alle kompositmaterialets mekaniske egenskaber væsentligt med en stigning i volumenfraktionen af kulfiberstof.
Forskellige typer termoplastiske harpikser udviser forskellige grader af ydeevne, når de integreres med kulfiber, og der er også forskelle i forberedelse og efterfølgende forarbejdning. Kun gennem kontinuerlige eksperimenter kan de optimale løsninger findes, der driver hele kulfiberindustrien ind i næste fase. I øjeblikket har flere termoplastiske kulfiberkompositter, såsom CF/PPS og CF/PEEK, vist sig at fungere godt med hensyn til ydeevne, produktion og genbrug, hvilket gør dem til vigtige områder for dybdegående forskning og udvikling på kort sigt. I de seneste år har Zhi Shang New Materials arbejdet på bedre at integrere kontinuerlige kulfibre med disse termoplastiske harpikser for at skabe ensrettede bånd med mere stabile fysiske former og overlegne mekaniske egenskaber. Med fremskridt inden for teknologi og udstyrsjusteringer er muligheden for masseproduktion af sådanne produkter blevet etableret.
