Полимеры, армированные углеродными волокнами, сочетают в себе прочность и малый вес. Они также могут похвастаться значительными зелеными сертификатами, поскольку они менее ресурсоемки во время производства и использования, и они легко перерабатываются. Хотя механические свойства ламинатов с непрерывными волокнами достаточно конкурентоспособны для применения в аэрокосмической и автомобильной промышленности, композиты, армированные короткими углеродными волокнами, могут быть привлекательными для быстрого изготовления и даже для 3D-печати для применений с более умеренными требованиями к прочности. В результате, существует повышенный интерес к оптимизации механических свойств термопластов, армированных короткими волокнами, чтобы максимизировать потенциал этих материалов. Ласло Сабо, Кэндзи Такахаши и его коллеги из Университета Канадзава и Технологического института Канадзава продемонстрировали, что облучение термопластов с короткими углеродными волокнами электронным пучком может улучшить их механические свойства.

Исследователи ограничили свое исследование полимерами, чтобы получаемый композит мог быть легко переработан и переформован в другие формы. Принимая во внимание экологические проблемы, они сосредоточили свое внимание на пропионате целлюлозы на биооснове для композитной матрицы. Их исследование включало изучение влияния облучения электронным пучком на прочность полимеров, функционализированных сложными эфирами для увеличения сшивки и улучшенных углеродными волокнами, а также различных форм при облучении (гантели и шарики) и длинных и коротких экструзионных сопел.

Хотя исследователям удалось продемонстрировать уровень контроля сшивания под воздействием излучения с использованием функционализирующих сложных эфиров, это не всегда было выгодно для механических свойств, особенно когда сеть полимеров препятствовала подвижности волокон. Кроме того, известно, что существует минимальная длина углеродного волокна, ниже которой их включение скорее ухудшает, чем увеличивает предел прочности композита, поскольку их присутствие вызывает трещины.

Несмотря на потенциальные недостатки, связанные с включением углеродного волокна и сшивкой, вызванной облучением, исследователи обнаружили, что облучение гранул композитом с коротким углеродным волокном делает их более прочными. Дальнейшие исследования показали, что облучение усиливало и удлиняло углеродные волокна, в то время как облучение гранул и изготовление гантелей из гранул оставляло достаточное количество несшитой полимерной матрицы для некоторой подвижности углеродных волокон для смягчения напряжений. Укороченное сопло также уменьшает эффекты, которые укорачивают углеродное волокно во время экструзии.

«Композит сохраняет свой потенциал для повторного использования (т.е. все еще термопластичен), а обработка практически не содержит химикатов», сообщают исследователи. Будущая работа может включать в себя дальнейшую механическую характеристику материала.

Фон

Экологические преимущества армированных углеродом термопластов

Для материалов меньшей массы требуется меньше топлива для их перемещения, так что использование легковесных свойств термопластов в автомобильных применениях может снизить потребность в топливе. Кроме того, термопласты могут быть легко обработаны из в значительной степени доброкачественных компонентов, что делает их более легко перерабатываемыми.

Получение углеродных волокон также становится все более устойчивым с сообщениями о углеродных волокнах, производимых из лигнина в биомассе. В результате использование углеродных волокон для улучшения механических свойств термопластичных полимеров может обеспечить экологически чистый материал для применений, где механические напряжения и деформации являются умеренными.

Облучение и сшивание

Облучение приводит как к разрыву цепи, так и к эффектам сшивания в полимерах. В клеточной пропионатной цепочке расщепление значительно превышает сшивание. Хотя функционализация с помощью сложных эфиров может усиливать сшивание при облучении, исследователи обнаружили, что это фактически снижает предел прочности при растяжении, поскольку полимер становится более жестким.

Добавление углеродных волокон может обеспечить участки, которые вызывают трещины. Если углеродные волокна достаточно длинные, общий эффект все же является более сильным материалом, но для коротких углеродных волокон их включение может фактически ослабить композит. Кроме того, сшивание в полимерной матрице может подавлять подвижность волокон, что приводит к росту напряжений.

Исследователи также обнаружили, что экструзия может дополнительно укорачивать углеродные волокна, и эффект, который укороченная экструзионная насадка может помочь смягчить. Облучение оказывает положительное влияние на прочность и длину углеродного волокна, образуя свободные радикалы, которые образуют ковалентные связи между плоскостями в структуре графитового волокна. В результате изготовление гантелей из облученных гранул полимера с углеродным волокном улучшило механические свойства материала; облучение привело к более прочным, более длинным углеродным волокнам, а изготовление гантелей из облученных гранул привело к образованию некоторой несшитой матрицы из разных гранул, что позволило перемещать волокна.

Ссылка

Ласло Сабо, Сари Иманиши, Фуджи Тецуо, Масаки Нисио, Дайсуке Хиросе, Такаюки Цукеги, Кентаро Таки, Казуаки Ниномия, Кэндзи Такахаши. Укрепление электронным пучком армированного коротким углеродным волокном зеленого термопластичного композита: ключевые факторы, определяющие характеристики материалов, Композиты, часть A 121 386-396, 1 ​​апреля 2019 года.

DOI: 10.1016 / j.compositesa.2019.03.046

URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19301253?via%3Dihub

Источник: https://www.kanazawa-u.ac.jp/e/