En la preparació de fibra de carboni termoplàstica, la indústria utilitza habitualment aquests quatre agents d'encolat.
En la preparació de compostos de fibra de carboni termoplàstica, cal abordar el problema de la força d'unió interfacial entre la fibra de carboni i la resina termoplàstica per garantir un millor efecte d'infiltració i unió en els processos posteriors. Els agents de mida tenen un paper important en aquest sentit. No obstant això, els diferents materials de matriu termoplàstica posseeixen propietats físiques i químiques diferents, de manera que calen experiments per identificar diferents tipus d'agents de dimensionament que compleixin els requisits específics d'ús.
Per tal de millorar la compatibilitat dels agents de col·locació amb compostos basats en resines termoplàstiques, la indústria ha dut a terme una investigació exhaustiva sobre diversos agents de col·locació nous per a diferents resines termoplàstiques, amb l'objectiu d'aconseguir una semblança estructural estreta i fortes interaccions entre els agents de col·locació i les resines termoplàstiques. . Després de nombrosos experiments i avaluacions de dades comparatives, s'ha trobat que els quatre agents de col·locació següents són especialment adequats: poliamida (PA), poliuretà (PU), poliarilèter i poliimida (PI).
1. Agent de mida de poliamida (PA).
La poliamida (PA), també coneguda com niló, té una excel·lent estabilitat química, resistència al desgast i propietats mecàniques. S'utilitza habitualment en fibres especials, plàstics d'enginyeria i resines de matriu composta a base de resina termoplàstica. Com que el PA s'ha utilitzat àmpliament com a resina de matriu per a compostos basats en resina termoplàstica, seleccionar PA com a component de l'agent de col·locació pot millorar la compatibilitat interfacial dels compostos basats en resina termoplàstica.
Es va preparar un agent d'encolat a base de dissolvent dissolint PA modificat en poliols i aplicant-lo a la fibra de carboni T300 desdimensionada. Això va conduir a la fabricació de compostos CF/PA66. La bona compatibilitat entre l'agent de dimensionament i la resina de la matriu de niló 66 va donar lloc a un efecte sinèrgic d'unió química i adsorció física, millorant amb èxit la resistència a la tracció i la resistència a l'impacte dels compostos en un 40,87% i 43,59%, respectivament.
Tanmateix, aquest mètode requereix una quantitat important de dissolvents orgànics, cosa que suposa serioses amenaces per a la seguretat ambiental i de producció, i el consum d'energia per assecar els dissolvents és considerable. Per tant, l'enfocament de la investigació d'agents de mida PA està canviant gradualment cap a sistemes d'agents de mida basats en aigua més respectuosos amb el medi ambient. Actualment, l'obtenció d'emulsions de PA disperses estables utilitzant tensioactius i la preparació d'agents de col·locació aquosos de PA mitjançant modificacions hidròfiles són enfocaments més madurs.
2. Agent de dimensionament de poliuretà (PU).
El poliuretà (PU) presenta una bona compatibilitat i força d'unió amb diverses resines termoplàstiques a causa de la seva estructura química única, el que el fa àmpliament aplicable com a agent de dimensionament. Aprofitant les similituds i compatibilitats entre les estructures d'uretà i de carbonat, la PU es pot utilitzar com a agent de dimensionament per dimensionar les fibres en compostos de fibra de carboni (CF)/policarbonat termoplàstic (PC) mitjançant un mètode dissolvent.
L'estabilitat tèrmica de l'agent de dimensionament de poliuretà (PU) és excel·lent; comença a perdre pes només a temperatures de fins a 270 graus. Això permet l'enllaç químic amb les estructures de carbonat de la matriu de policarbonat (PC), donant lloc a un augment de la resistència al tall interlaminar dels compostos de 38,1 MPa a 62,9 MPa, la qual cosa representa una millora del 65%.
No obstant això, amb l'èmfasi creixent en els problemes ambientals, els agents de dimensionament de PU basats en dissolvents s'estan substituint gradualment per sistemes d'agents d'encolat a base d'aigua. La dispersió d'emulsió és un dels mètodes utilitzats habitualment per preparar agents d'encolat de PU a base d'aigua. Els agents de mida de PU d'emulsió a base d'aigua es poden emmagatzemar fins a sis mesos en condicions d'assecat a temperatura normal, amb una resistència a la calor que arriba als 280-300 graus, cosa que pot elevar la resistència al cisalla interlaminar dels compostos CF/PA66 a més de 78 MPa millora significativa.
Agent de dimensionament de poliarileter
Els poliarílèters són polímers que contenen anells aromàtics i enllaços èter. Alguns exemples coneguts inclouen polièter eter cetona (PEEK), sulfur de polifenilè (PPS) i polietersulfona (PES). Els anells rígids de benzè i els enllaços d'èter flexibles doten aquests materials d'excel·lents propietats mecàniques i tèrmiques, alhora que permeten que alguns sistemes siguin cristal·lins, permetent un ús continu en condicions d'alta temperatura i humitat. S'utilitzen àmpliament com a plàstics d'enginyeria d'alt rendiment i resines termoplàstiques en camps aeroespacial, electrònic, energètic i mèdic.
No obstant això, l'estructura rígida i estable dels poliarílèters, tot i que ofereix molts avantatges, també fa que sigui difícil que reaccionin amb altres grups actius, donant lloc a un enllaç interfacial feble amb fibres de carboni (CF). Per tant, modificar els sistemes de poliarilèter i preparar agents d'encolat per millorar la seva força d'unió amb CF i matrius termoplàstiques s'ha convertit en un problema prioritari a abordar. El tractament amb àcid fort és un mètode eficaç per introduir grups actius en molècules de poliarilèter.
Mitjançant un tractament de sulfonació, es van introduir estructures de sulfonat sòdic (-SO3Na) al sistema PEEK per preparar un agent d'encolat. Els grups sulfònics poden formar enllaços d'hidrogen amb els grups de la superfície de la fibra, i l'agent de col·locació és compatible amb la matriu PEEK, facilitant la humectació i la infiltració de la resina de la matriu al CF. La resistència al tall interlaminar del material compost va arribar als 78,2 MPa.
A més, es va preparar un agent de dimensionament híbrid basat en dissolvents modificant l'òxid de grafè (GO) amb una estructura de diamina similar a la de la polietersulfona (PES), que no només va introduir grups amino actius sinó que també va millorar l'estabilitat tèrmica del sistema. Diverses interaccions com ara enllaços químics, enllaços d'hidrogen, atracció polar, forces de van der Waals i enclavaments mecànics poden aconseguir un fort enllaç entre l'agent de mida, GO, CF i la matriu PES, donant lloc a una millora del 74,1% en les propietats interfacials. dels compostos CF/PES.
4. Agent de dimensionament de poliimida (PI).
Les poliimides (PI) són polímers d'alt rendiment que contenen anells d'imida a la seva columna vertebral molecular. Posseeixen una estructura de cadena molt rígida i unes excel·lents propietats mecàniques, cosa que els converteix en un dels materials polímers de més alta temperatura. Els PI han trobat aplicacions generalitzades en aeroespacial, equipament militar, comunicacions electròniques i altres camps. Entre aquests, els agents de dimensionament de polièter imida (PEI), que contenen enllaços d'èter flexibles, han guanyat una atenció considerable en els últims anys com a agents de dimensionament d'alta temperatura a causa de la seva excepcional estabilitat tèrmica, flexibilitat millorada, millor solubilitat i compatibilitat amb resines termoplàstiques.
Els agents de mida PI poden suportar altes temperatures, complint les condicions d'emmotllament i ús dels compostos basats en resina termoplàstica d'alt rendiment (com els compostos CF/PES i CF/PEEK). No obstant això, de manera similar als agents de dimensionament de poliarilèter, l'estructura molecular rígida i estable dels agents de dimensionament PI dóna com a resultat una baixa capacitat d'unió amb fibres de carboni (CF) i una mala processabilitat, la qual cosa requereix una modificació química.
La modificació de l'agent de dimensionament PI es va realitzar mitjançant nanopartícules dispersant nanotubs de carboni de parets múltiples (MWCNT) en una solució de diclorometà de PEI. Mitjançant un mètode dissolvent, es va tractar la superfície del teixit CF de grau T300. La investigació va trobar que MWCNT a l'agent de mida mixta va introduir eficaçment un gran nombre de grups actius i podria cobrir uniformement la superfície de la fibra. Després de la mida, els anells d'imida del PEI podrien formar interaccions polars i enllaços d'hidrogen amb grups hidroxil i carboxil a la superfície MWCNT, mentre que es van produir interaccions d'apilament π-π entre els anells aromàtics del MWCNT i la resina de la matriu PEEK. Aquesta modificació va inhibir significativament la propagació de les esquerdes, donant com a resultat una resistència al tall interlaminar de 90, 7 MPa per al material compost.
En sentit estricte, la poliamida (PA), el poliuretà (PU), el poliarilèter i la poliimida (PI) representen quatre categories d'agents d'encolat, cadascuna adaptada a diferents tipus de resines termoplàstiques. Aquests sistemes d'agents de dimensionament solen experimentar diverses modificacions durant l'ús per millorar eficaçment les característiques de rendiment dels compostos termoplàstics de fibra de carboni. A més, és fonamental considerar si els processos experimentals poden causar impactes negatius significatius en el medi ambient. Per trobar solucions òptimes, nombrosos experts i acadèmics tant nacionals com internacionals s'esforcen per identificar els enfocaments més adequats.
