Pět směrů kompozitů z termoplastické pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny.
Uhlíkové vlákno je vzácný vysoce výkonný materiál a jeho výzkum začal před více než stoletím. Technologie a průmyslový vývoj uhlíkových vláken dnes podporuje mnoho zemí po celém světě. Samotné uhlíkové vlákno je měkké a obtížně tvarovatelné; proto jeho modifikací a smícháním se substráty, jako jsou plasty, pryskyřice, kovy a keramika, lze získat vynikající celkový výkon a stabilní struktury, které splňují požadavky průmyslové aplikace.
Pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny jsou poměrně úspěšným typem kompozitního materiálu, přičemž dnes jsou hlavní volbou termosetové kompozity z uhlíkových vláken. Použité pryskyřice zahrnují mimo jiné epoxidové pryskyřice a fenolové pryskyřice. Integrace termoplastických pryskyřic s uhlíkovými vlákny je náročná; celkový výkon je však lepší, což z něj činí důležitý směr pro budoucí rozvoj průmyslu uhlíkových vláken. Za současné úrovně průmyslové technologie bylo dosaženo významného pokroku ve výzkumu kompozitů z termoplastické pryskyřice modifikovaných uhlíkovými vlákny. Již bylo úspěšně vyvinuto mnoho vysoce výkonných termoplastických kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny, jako jsou jednosměrné pásky CF/PPS a CF/PEEK vyráběné společností Zhishang New Materials.
1. Polypropylenové pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny
Polypropylen (PP) je nejrozšířenějším polymerním materiálem v oblastech, jako je automobilový průmysl a domácí spotřebiče, s roční produkcí v Číně přesahující 1 milion tun. Modifikace polypropylenové pryskyřice uhlíkovými vlákny může výrazně zlepšit pevnost a tuhost kompozitního materiálu. Kromě toho má začlenění uhlíkových vláken také značný vliv na tekutost a krystalinitu PP materiálů.
PP materiály modifikované uhlíkovými vlákny se typicky zpracovávají pomocí technik míšení taveniny, které zahrnují především dvě zpracovatelské metody: vytlačování dvěma šneky a vyztužení dlouhými vlákny. Vlastnosti modifikovaných materiálů jsou ovlivněny faktory, jako je množství přidaného uhlíkového vlákna, délka vlákna, kompatibilizátory a povrchová úprava vláken.
V současné době jsou PP kompozity vyztužené dlouhými vlákny široce používány v odvětvích, jako je automobilový a námořní průmysl. Avšak kvůli špatné kompatibilitě mezi PP matricí a uhlíkovými vlákny vyžaduje dosažení vysokého mechanického výkonu v kompozitech složité procesy povrchové úpravy uhlíkových vláken, což výrazně zvyšuje jak náklady na zpracování, tak obtížnost.
2. Kompozity polyvinylchloridové pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny
Polyvinylchlorid (PVC) je jednou z nejrozšířenějších univerzálních pryskyřic v Číně, s hlavními výhodami včetně nízké ceny, dobrých elektrických izolačních vlastností, vynikající chemické odolnosti a jednoduchých lisovacích procesů. Nicméně některé inherentní nevýhody, jako je špatná houževnatost, nízká rázová houževnatost a tepelná stabilita, a špatná zpracovatelská výkonnost omezují její použití v oblastech s přísnými požadavky.
PVC materiály modifikované uhlíkovými vlákny mohou účinně zvýšit pevnost v tahu, povrchovou tvrdost a pevnost v ohybu matrice PVC, díky čemuž jsou vhodné pro výrobu různých PVC fólií a trubek.
Kompatibilita mezi vlákny z uhlíkových vláken a matricí z PVC je lepší, což má za následek výrazně lepší pevnost v tahu, pevnost v ohybu a rázovou houževnatost ve srovnání s matricí z PVC. Kvůli špatné tepelné stabilitě matrice PVC mohou způsoby zpracování, jako je ponoření do taveniny nebo míšení, snadno vést k degradaci matrice. Materiály PVC modifikované uhlíkovými vlákny se proto typicky zpracovávají pomocí technik laminace.
3. Kompozity z polykarbonátové pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny
Polykarbonát (PC) je široce používaný technický plast známý pro svou vysokou rázovou houževnatost a dobrou průhlednost. Když je uhlíkové vlákno smícháno s PC, může dále zlepšit různé vlastnosti PC a rozšířit jeho aplikační pole.
Výzkum ukázal, že když je množství přidaného uhlíkového vlákna pod 20 %, dochází k výraznému zvýšení pevnosti v tahu, pevnosti v ohybu a modulu pružnosti v ohybu materiálu. Rázová houževnatost dosahuje maxima při obsahu uhlíkových vláken kolem 6 %. Když je obsah uhlíkových vláken mezi 10 % a 20 %, povrchový odpor materiálu může dosáhnout 8×10^9 Ω·cm, což poskytuje vynikající antistatické vlastnosti.
Kompozit z polykarbonátu (PC) s uhlíkovými vlákny může také udělit vlastnosti elektromagnetického stínění polymerní matrici; účinnost stínění však není příliš vysoká. Pro dosažení požadované účinnosti stínění standardních elektromagnetických stínících materiálů je nutné přidat další vysoce vodivá kovová vlákna nebo prášky. Uhlíkové vlákno nebo uhlíkové vlákno potažené kovem, pokud jsou smíchány s kovovými prášky, grafenem, vodivými sazemi atd., mohou hrát spojovací roli v kompozitním materiálu, čímž se zvyšuje výkon elektromagnetického stínění.
4. Kompozity polyamidové pryskyřice modifikované uhlíkovými vlákny
Polyamid (PA) je vynikající technický plast, ale vzhledem k jeho vysoké krystalinitě a výrazné absorpci vlhkosti je rozměrová stálost výrobků z tohoto materiálu špatná a jeho pevnost a tvrdost se nevyrovnají pevnosti a tvrdosti kovů. V praktických aplikacích tyto materiály často vyžadují vyztužení skleněným vláknem nebo uhlíkovým vláknem.
Po vyztužení a úpravě uhlíkovými vlákny lze mechanické vlastnosti PA výrazně zlepšit. Upravený materiál může sloužit jak jako konstrukční materiál pro zatížení, tak jako funkční materiál. V současné době se většina výzkumů PA modifikovaného uhlíkovými vlákny zaměřuje na účinky povrchové modifikace uhlíkových vláken na rozhraní a výkon kompozitů.
Studie ukázaly, že oxidační úprava povrchu uhlíkových vláken zlepšuje pevnost spojení mezi uhlíkovými vlákny a PA1010. S rostoucím objemovým podílem uhlíkových vláken se pevnost v tahu a tvrdost podle Rockwella zpočátku zvyšuje a poté snižuje. Když objemový podíl uhlíkových vláken dosáhne 20 %, pevnost v tahu materiálu dosáhne své maximální hodnoty. Kromě toho koeficient tření materiálu klesá se zvyšujícím se objemovým podílem uhlíkových vláken a stabilizuje se na přibližně 0,24, když objemový podíl uhlíkových vláken dosáhne 20 %.
5. Speciální inženýrské plastové kompozity modifikované uhlíkovými vlákny
Speciálními technickými plasty se rozumí plasty s vyšším celkovým výkonem a dlouhodobými provozními teplotami nad 150 stupňů. Mezi tyto materiály patří především PEEK, PPS, TPI a další. Většina speciálních technických plastů může sloužit jako matricové materiály pro termoplastické kompozity vyztužené skleněnými vlákny, uhlíkovými vlákny a aramidovými vlákny. Speciální technické plasty vyztužené uhlíkovými vlákny mají vynikající mechanické vlastnosti a výkon při zpracování, což jim umožňuje zcela nahradit teplem tvrditelné pryskyřice nebo dokonce kovy v aplikacích, jako je letecký, námořní a lékařský průmysl.
A. Polyetheretherketon vyztužený uhlíkovými vlákny (PEEK)je v současnosti termoplast s nejvyšší teplotní odolností, s teplotou dlouhodobého použití až 250 stupňů. I při teplotách až 300 stupňů si zachovává velmi dobré mechanické vlastnosti. PEEK modifikovaný uhlíkovými vlákny nejen zvyšuje pevnost a tuhost materiálu, ale také dodává vlastnosti vodivosti a odolnosti proti opotřebení.
B. Termoplastický Polyimid (TPI)vykazuje vynikající tepelnou stabilitu spolu s vynikající odolností proti nárazu, odolností proti záření a odolností proti rozpouštědlům. Tento typ materiálu navíc vykazuje výjimečnou odolnost proti opotřebení v extrémních prostředích charakterizovaných vysokými teplotami, měnícími se tlaky a vysokými rychlostmi. Použití vyztužení uhlíkovými vlákny může dále zvýšit výkon těchto materiálů a rozšířit rozsah jejich použití.
C. Polyfenylensulfid (PPS)je semikrystalická termoplastická pryskyřice známá pro své vynikající mechanické vlastnosti, chemickou odolnost a samozhášecí vlastnosti. Navíc tento typ materiálu vykazuje dobrou kompatibilitu s anorganickými minerály a organickými vlákny, takže je vhodný pro přípravu různých kompozitů s vysokým obsahem plniva. Kompozity PPS z termoplastických uhlíkových vláken vykazují dobré mechanické vlastnosti a vynikající odolnost vůči rozpouštědlům. Spojovací výkon mezi PPS a uhlíkovými vlákny je také vynikající; všechny mechanické vlastnosti jsou však výrazně ovlivněny objemovým podílem tkaniny z uhlíkových vláken. Když je objemový podíl tkaniny z uhlíkových vláken nižší než 50 %, všechny mechanické vlastnosti kompozitu se podstatně zlepšují se zvýšením objemového podílu tkaniny z uhlíkových vláken.
Různé typy termoplastických pryskyřic vykazují různé stupně výkonu, když jsou integrovány s uhlíkovými vlákny, a existují také rozdíly v přípravě a následném zpracování. Pouze neustálým experimentováním lze nalézt optimální řešení, která posouvají celý průmysl uhlíkových vláken do další fáze. V současné době bylo prokázáno, že několik kompozitů z termoplastických uhlíkových vláken, jako jsou CF/PPS a CF/PEEK, funguje dobře, pokud jde o výkon, výrobu a recyklaci, což z nich dělá v krátkodobém horizontu důležité oblasti pro hloubkový výzkum a vývoj. V posledních letech společnost Zhi Shang New Materials pracuje na lepší integraci nekonečných uhlíkových vláken s těmito termoplastickými pryskyřicemi za účelem vytvoření jednosměrných pásek se stabilnějšími fyzikálními tvary a vynikajícími mechanickými vlastnostmi. S pokrokem v technologii a úpravách zařízení byla stanovena schopnost hromadné výroby takových produktů.
