Na preparação de fibra de carbono termoplástica, a indústria comumente utiliza esses quatro agentes de colagem.
Na preparação de compósitos termoplásticos de fibra de carbono, é necessário abordar a questão da resistência de ligação interfacial entre a fibra de carbono e a resina termoplástica para garantir uma melhor infiltração e efeito de ligação em processos subsequentes. Os agentes de dimensionamento desempenham um papel importante neste sentido. No entanto, diferentes materiais de matriz termoplástica possuem propriedades físicas e químicas variadas, portanto são necessários experimentos para identificar diferentes tipos de agentes de colagem que atendam aos requisitos específicos de uso.
A fim de melhorar a compatibilidade dos agentes de colagem com compósitos à base de resinas termoplásticas, a indústria conduziu extensas pesquisas sobre vários novos agentes de colagem para diferentes resinas termoplásticas, com o objetivo de alcançar uma semelhança estrutural próxima e fortes interações entre os agentes de colagem e as resinas termoplásticas. . Após numerosos experimentos e avaliações comparativas de dados, descobriu-se que os seguintes quatro agentes de colagem são particularmente adequados: poliamida (PA), poliuretano (PU), poliarileter e poliimida (PI).
1. Agente de dimensionamento de poliamida (PA)
A poliamida (PA), também conhecida como náilon, possui excelente estabilidade química, resistência ao desgaste e propriedades mecânicas. É comumente usado em fibras especiais, plásticos de engenharia e resinas de matriz composta à base de resina termoplástica. Como o PA tem sido amplamente utilizado como resina de matriz para compósitos à base de resina termoplástica, a seleção do PA como componente do agente de colagem pode melhorar a compatibilidade interfacial dos compósitos à base de resina termoplástica.
Um agente de colagem à base de solvente foi preparado dissolvendo PA modificado em polióis e aplicando-o à fibra de carbono T300 desdimensionada. Isto levou à fabricação de compósitos CF/PA66. A boa compatibilidade entre o agente de colagem e a resina da matriz de nylon 66 resultou em um efeito sinérgico de ligação química e adsorção física, melhorando com sucesso a resistência à tração e a resistência ao impacto dos compósitos em 40,87% e 43,59%, respectivamente.
No entanto, este método requer uma quantidade significativa de solventes orgânicos, representando sérias ameaças à segurança ambiental e de produção, e o consumo de energia para secagem de solventes é considerável. Portanto, o foco da pesquisa de agentes de dimensionamento de PA está gradualmente mudando para sistemas de agentes de dimensionamento à base de água mais ecologicamente corretos. Atualmente, a obtenção de emulsões de PA dispersas estáveis usando surfactantes e a preparação de agentes de colagem aquosos de PA através de modificação hidrofílica são abordagens mais maduras.
2. Agente de dimensionamento de poliuretano (PU)
O poliuretano (PU) apresenta boa compatibilidade e resistência de ligação com diversas resinas termoplásticas devido à sua estrutura química única, tornando-o amplamente aplicável como agente de colagem. Aproveitando as semelhanças e compatibilidades entre as estruturas de uretano e carbonato, o PU pode ser usado como agente de colagem para colagem de fibras em compósitos de fibra de carbono (CF)/policarbonato termoplástico (PC) através de um método de solvente.
A estabilidade térmica do agente de colagem de poliuretano (PU) é excelente; começa a perder peso apenas em temperaturas de até 270 graus. Isto permite a ligação química com as estruturas de carbonato na matriz de policarbonato (PC), resultando num aumento na resistência ao cisalhamento interlaminar dos compósitos de 38,1 MPa para 62,9 MPa, representando uma melhoria de 65%.
No entanto, com a crescente ênfase nas questões ambientais, os agentes de colagem de PU à base de solvente estão sendo gradualmente substituídos por sistemas de agentes de colagem à base de água. A dispersão em emulsão é um dos métodos comumente usados para preparar agentes de colagem de PU à base de água. Os agentes de colagem de PU de emulsão à base de água podem ser armazenados por até seis meses sob condições normais de secagem de temperatura, com resistência ao calor atingindo 280-300 graus, o que pode elevar a resistência ao cisalhamento interlaminar dos compósitos CF/PA66 para mais de 78 MPa, demonstrando uma resistência mais aprimoramento significativo.
Agente de dimensionamento de poliariléter
Os éteres poliarílicos são polímeros que contêm anéis aromáticos e ligações éter. Exemplos bem conhecidos incluem poliéter éter cetona (PEEK), sulfeto de polifenileno (PPS) e polietersulfona (PES). Os anéis rígidos de benzeno e as ligações flexíveis de éter conferem a esses materiais excelentes propriedades mecânicas e térmicas, ao mesmo tempo que permitem que alguns sistemas sejam cristalinos, permitindo o uso contínuo sob condições de alta temperatura e umidade. Eles são amplamente utilizados como plásticos de engenharia de alto desempenho e resinas termoplásticas nas áreas aeroespacial, eletrônica, energia e médica.
No entanto, a estrutura rígida e estável dos éteres poliarílicos, embora proporcione muitas vantagens, também torna difícil para eles reagirem com outros grupos ativos, levando a uma ligação interfacial fraca com fibras de carbono (CF). Portanto, a modificação de sistemas de éter poliarílico e a preparação de agentes de colagem para aumentar sua resistência de ligação com CF e matrizes termoplásticas tornou-se um problema prioritário a ser abordado. O tratamento com ácido forte é um método eficaz para a introdução de grupos ativos em moléculas de éter poliarílico.
Ao empregar um tratamento de sulfonação, estruturas de sulfonato de sódio (-SO3Na) foram introduzidas no sistema PEEK para preparar um agente de colagem. Os grupos sulfônicos podem formar ligações de hidrogênio com os grupos na superfície da fibra, e o agente de colagem é compatível com a matriz PEEK, facilitando o umedecimento e infiltração da resina da matriz no CF. A resistência ao cisalhamento interlaminar do material compósito atingiu 78,2 MPa.
Além disso, um agente de colagem híbrido à base de solvente foi preparado modificando o óxido de grafeno (GO) com uma estrutura de diamina semelhante à da polietersulfona (PES), que não apenas introduziu grupos amino ativos, mas também melhorou a estabilidade térmica do sistema. Várias interações, como ligação química, ligação de hidrogênio, atração polar, forças de van der Waals e intertravamento mecânico, podem alcançar uma ligação forte entre o agente de colagem, GO, CF e a matriz PES, resultando em uma melhoria de 74,1% nas propriedades interfaciais. dos compósitos CF/PES.
4. Agente de dimensionamento de poliimida (PI)
As poliimidas (PI) são polímeros de alto desempenho que contêm anéis de imida em sua estrutura molecular. Eles possuem uma estrutura de cadeia altamente rígida e excelentes propriedades mecânicas, tornando-os um dos materiais poliméricos com as mais altas temperaturas. Os IPs encontraram aplicações generalizadas na indústria aeroespacial, equipamentos militares, comunicações eletrônicas e outros campos. Entre estes, os agentes de colagem de poliéter imida (PEI), que contêm ligações éter flexíveis, ganharam atenção considerável nos últimos anos como agentes de colagem de alta temperatura devido à sua excepcional estabilidade térmica, maior flexibilidade, melhor solubilidade e compatibilidade com resinas termoplásticas.
Os agentes de colagem PI podem suportar altas temperaturas, atendendo às condições de moldagem e uso para compósitos à base de resina termoplástica de alto desempenho (como compósitos CF/PES e CF/PEEK). No entanto, semelhante aos agentes de colagem de éter poliarílico, a estrutura molecular rígida e estável dos agentes de colagem de PI resulta em baixa capacidade de ligação com fibras de carbono (CF) e baixa processabilidade, necessitando de modificação química.
A modificação do agente de dimensionamento PI foi realizada utilizando nanopartículas através da dispersão de nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNT) em uma solução de diclorometano de PEI. Utilizando um método de solvente, a superfície do tecido CF grau T300 foi tratada. A pesquisa descobriu que o MWCNT no agente de colagem misto introduziu efetivamente um grande número de grupos ativos e poderia cobrir uniformemente a superfície da fibra. Após o dimensionamento, os anéis de imida no PEI poderiam formar interações polares e ligações de hidrogênio com grupos hidroxila e carboxila na superfície do MWCNT, enquanto interações de empilhamento π-π ocorreram entre os anéis aromáticos do MWCNT e a resina da matriz PEEK. Esta modificação inibiu significativamente a propagação de fissuras, resultando em uma resistência ao cisalhamento interlaminar de 90,7 MPa para o material compósito.
A rigor, poliamida (PA), poliuretano (PU), poliarileter e poliimida (PI) representam quatro categorias de agentes de colagem, cada uma adaptada para diferentes tipos de resinas termoplásticas. Esses sistemas de agentes de colagem normalmente sofrem várias modificações durante o uso para melhorar efetivamente as características de desempenho dos compósitos termoplásticos de fibra de carbono. Além disso, é essencial considerar se os processos experimentais podem causar impactos negativos significativos ao meio ambiente. Para encontrar soluções óptimas, numerosos especialistas e académicos, tanto a nível nacional como internacional, estão a esforçar-se para identificar as abordagens mais adequadas.
