Le cinque direzioni dei compositi in resina termoplastica modificata con fibra di carbonio.
La fibra di carbonio è un materiale raro e ad alte prestazioni e la ricerca su di esso è iniziata oltre un secolo fa. Oggi, la tecnologia e lo sviluppo industriale della fibra di carbonio hanno ricevuto il sostegno di molti paesi in tutto il mondo. La stessa fibra di carbonio è morbida e difficile da modellare; pertanto, modificandolo e combinandolo con substrati come plastica, resine, metalli e ceramica è possibile ottenere prestazioni complessive superiori e strutture stabili che soddisfano i requisiti delle applicazioni industriali.
Le resine modificate con fibra di carbonio sono un tipo di materiale composito di relativamente successo, con i compositi in fibra di carbonio termoindurenti che rappresentano oggi la scelta principale. Le resine utilizzate includono, tra le altre, resine epossidiche e resine fenoliche. L’integrazione delle resine termoplastiche con la fibra di carbonio è impegnativa; tuttavia, le prestazioni complessive sono migliori, rendendola una direzione importante per il futuro sviluppo dell’industria della fibra di carbonio. Al livello attuale della tecnologia industriale, sono stati compiuti progressi significativi nella ricerca sui compositi di resina termoplastica modificata con fibra di carbonio. Numerosi compositi termoplastici rinforzati con fibra di carbonio continua ad alte prestazioni sono già stati sviluppati con successo, come i nastri unidirezionali CF/PPS e CF/PEEK prodotti da Zhishang New Materials.
1. Compositi in resina di polipropilene modificata con fibra di carbonio
Il polipropilene (PP) è il materiale polimerico più utilizzato in settori quali quello automobilistico e degli elettrodomestici, con una produzione annua in Cina che supera 1 milione di tonnellate. La modifica della resina di polipropilene con fibra di carbonio può migliorare significativamente la resistenza e la rigidità del materiale composito. Inoltre, l’incorporazione della fibra di carbonio ha anche un impatto considerevole sulla fluidità e sulla cristallinità dei materiali PP.
I materiali in PP modificato con fibra di carbonio vengono generalmente lavorati utilizzando tecniche di fusione in fusione, che comprendono principalmente due metodi di lavorazione: estrusione a doppia vite e rinforzo a fibra lunga. Le proprietà dei materiali modificati sono influenzate da fattori quali la quantità di fibra di carbonio aggiunta, la lunghezza della fibra, i compatibilizzanti e il trattamento superficiale delle fibre.
Attualmente, i compositi PP rinforzati con fibre lunghe sono stati ampiamente applicati in settori come quello automobilistico e marittimo. Tuttavia, a causa della scarsa compatibilità tra la matrice PP e la fibra di carbonio, il raggiungimento di elevate prestazioni meccaniche nei compositi richiede complessi processi di trattamento superficiale della fibra di carbonio, che aumentano significativamente sia i costi che la difficoltà di lavorazione.
2. Compositi in resina di cloruro di polivinile modificati con fibra di carbonio
Il cloruro di polivinile (PVC) è una delle resine per uso generale più diffuse in Cina, con vantaggi chiave tra cui basso costo, buone proprietà di isolamento elettrico, eccellente resistenza chimica e processi di stampaggio semplici. Tuttavia, alcuni inconvenienti intrinseci come la scarsa tenacità, la bassa resistenza agli urti e stabilità termica e le scarse prestazioni di lavorazione ne limitano l'applicazione in campi con requisiti rigorosi.
I materiali in PVC modificato con fibra di carbonio possono migliorare efficacemente la resistenza alla trazione, la durezza superficiale e la resistenza alla flessione della matrice in PVC, rendendoli adatti alla produzione di vari fogli e tubi in PVC.
La compatibilità tra i filamenti in fibra di carbonio e la matrice in PVC è migliore, con conseguente resistenza alla trazione, resistenza alla flessione e resistenza agli urti significativamente migliorate rispetto alla matrice in PVC. A causa della scarsa stabilità termica della matrice in PVC, metodi di lavorazione come l'immersione in materiale fuso o la miscelazione possono facilmente portare al degrado della matrice. Pertanto, i materiali in PVC modificato con fibra di carbonio vengono generalmente lavorati utilizzando tecniche di laminazione.
3. Compositi in resina di policarbonato modificata con fibra di carbonio
Il policarbonato (PC) è un materiale plastico tecnico ampiamente utilizzato, noto per la sua elevata resistenza agli urti e la buona trasparenza. Quando la fibra di carbonio viene combinata con il PC, può migliorare ulteriormente le varie proprietà del PC ed espandere i suoi campi di applicazione.
La ricerca ha dimostrato che quando la quantità di fibra di carbonio aggiunta è inferiore al 20%, si verifica un aumento significativo della resistenza alla trazione, alla flessione e al modulo di flessione del materiale. La resistenza agli urti raggiunge il suo massimo quando il contenuto di fibra di carbonio è intorno al 6%. Quando il contenuto di fibra di carbonio è compreso tra il 10% e il 20%, la resistività superficiale del materiale può raggiungere 8×10^9 Ω·cm, fornendo eccellenti proprietà antistatiche.
Il composito di policarbonato (PC) con fibra di carbonio può anche conferire proprietà di schermatura elettromagnetica alla matrice polimerica; tuttavia, l'efficienza della schermatura non è molto elevata. Per ottenere l'efficacia di schermatura richiesta dei materiali schermanti elettromagnetici standard, è necessario aggiungere altre fibre o polveri metalliche ad alta conduttività. La fibra di carbonio o la fibra di carbonio rivestita in metallo, se combinata con polveri metalliche, grafene, nerofumo conduttivo, ecc., può svolgere un ruolo di collegamento nel materiale composito, migliorando così le prestazioni di schermatura elettromagnetica.
4. Compositi in resina poliammidica modificata con fibra di carbonio
La poliammide (PA) è un eccellente materiale plastico tecnico, ma a causa della sua elevata cristallinità e del significativo assorbimento di umidità, la stabilità dimensionale dei prodotti realizzati con questo materiale è scarsa e la sua resistenza e durezza non corrispondono a quelle dei metalli. Nelle applicazioni pratiche, questi materiali spesso richiedono un rinforzo con fibra di vetro o fibra di carbonio.
Dopo essere state rinforzate e modificate con fibra di carbonio, le proprietà meccaniche del PA possono essere notevolmente migliorate. Il materiale modificato può servire sia come materiale strutturale per sopportare carichi sia come materiale funzionale. Attualmente, la maggior parte delle ricerche sulla PA modificata con fibra di carbonio si concentra sugli effetti della modifica superficiale delle fibre di carbonio sull’interfaccia e sulle prestazioni dei compositi.
Gli studi hanno dimostrato che il trattamento di ossidazione della superficie della fibra di carbonio migliora la forza di adesione tra la fibra di carbonio e PA1010. All’aumentare della frazione volumetrica della fibra di carbonio, la resistenza alla trazione e la durezza Rockwell del composito inizialmente aumentano e poi diminuiscono. Quando la frazione volumetrica della fibra di carbonio raggiunge il 20%, la resistenza alla trazione del materiale raggiunge il suo valore massimo. Inoltre, il coefficiente di attrito del materiale diminuisce con l'aumentare della frazione volumetrica della fibra di carbonio, stabilizzandosi intorno a 0,24 quando la frazione volumetrica della fibra di carbonio raggiunge il 20%.
5. Compositi plastici speciali per ingegneria modificati in fibra di carbonio
I tecnopolimeri speciali si riferiscono a quelli con prestazioni complessive più elevate e temperature di servizio a lungo termine superiori a 150 gradi. Questi materiali includono principalmente PEEK, PPS, TPI e altri. La maggior parte dei tecnopolimeri speciali può fungere da materiale matrice per compositi termoplastici rinforzati con fibra di vetro, fibra di carbonio e fibra aramidica. I tecnopolimeri speciali rinforzati con fibra di carbonio possiedono eccellenti proprietà meccaniche e prestazioni di lavorazione, consentendo loro di sostituire completamente le resine termoindurenti o persino i metalli in applicazioni quali i campi aerospaziale, marino e medico.
A. Polietere etere chetone (PEEK) rinforzato con fibra di carbonioè attualmente il materiale termoplastico resistente alle temperature più elevate, con una temperatura di utilizzo a lungo termine fino a 250 gradi. Anche a temperature fino a 300 gradi mantiene ottime proprietà meccaniche. Il PEEK modificato con fibra di carbonio non solo migliora la resistenza e la rigidità del materiale, ma conferisce anche caratteristiche di conduttività e resistenza all'usura.
B. Poliimmide termoplastica (TPI)mostra un'eccezionale stabilità termica, insieme a un'eccellente resistenza agli urti, resistenza alle radiazioni e resistenza ai solventi. Inoltre, questo tipo di materiale dimostra un'eccezionale resistenza all'usura in ambienti estremi caratterizzati da alte temperature, pressioni variabili e velocità elevate. L’applicazione del rinforzo in fibra di carbonio può migliorare ulteriormente le prestazioni di questi materiali e ampliarne la gamma di applicazioni.
C. Polifenilene solfuro (PPS)è una resina termoplastica semicristallina nota per le sue eccellenti proprietà meccaniche, resistenza chimica e caratteristiche di autoestinguenza. Inoltre, questo tipo di materiale mostra una buona compatibilità con minerali inorganici e fibre organiche, rendendolo adatto alla preparazione di vari compositi con elevato contenuto di riempitivi. I compositi PPS termoplastici in fibra di carbonio presentano buone proprietà meccaniche ed eccellente resistenza ai solventi. Ottime anche le prestazioni di incollaggio tra PPS e fibra di carbonio; tuttavia, tutte le proprietà meccaniche sono significativamente influenzate dalla frazione volumetrica del tessuto in fibra di carbonio. Quando la frazione volumetrica del tessuto in fibra di carbonio è inferiore al 50%, tutte le proprietà meccaniche del composito migliorano sostanzialmente con un aumento della frazione volumetrica del tessuto in fibra di carbonio.
Diversi tipi di resine termoplastiche mostrano diversi gradi di prestazioni se integrati con fibra di carbonio e esistono anche differenze nella preparazione e nella successiva lavorazione. Solo attraverso la sperimentazione continua è possibile trovare soluzioni ottimali, spingendo l’intero settore della fibra di carbonio alla fase successiva. Attualmente, è stato dimostrato che diversi compositi termoplastici in fibra di carbonio, come CF/PPS e CF/PEEK, funzionano bene in termini di prestazioni, produzione e riciclaggio, rendendoli importanti aree di ricerca e sviluppo approfonditi a breve termine. Negli ultimi anni, Zhi Shang New Materials ha lavorato per integrare meglio le fibre di carbonio continue con queste resine termoplastiche per creare nastri unidirezionali con forme fisiche più stabili e proprietà meccaniche superiori. Con i progressi tecnologici e gli adeguamenti delle attrezzature, è stata stabilita la capacità di produzione di massa di tali prodotti.
