Polymeren versterkt met koolstofvezels combineren sterkte en een laag gewicht. Ze hebben ook aanzienlijke groene referenties, omdat ze minder hulpbronnenintensief zijn tijdens productie en gebruik, en ze zijn gemakkelijk te recyclen. Hoewel de mechanische eigenschappen van continuvezellaminaten voldoende concurrerend zijn voor toepassingen in de lucht- en ruimtevaart en auto's, composieten versterkt met korte koolstofvezels kunnen aantrekkelijk zijn voor snelle fabricage, en zelfs 3D-printen voor toepassingen met meer gematigde sterkte-eisen. Als resultaat, er is grote belangstelling voor het optimaliseren van de mechanische eigenschappen van met korte vezels versterkte thermoplasten om het potentieel van deze materialen te maximaliseren. László Szabó en Kenji Takahashi en collega's van Kanazawa University en Kanazawa Institute of Technology hebben nu aangetoond dat het bestralen van korte thermoplastische koolstofvezels met een elektronenstraal hun mechanische eigenschappen kan verbeteren.

De onderzoekers beperkten hun onderzoek tot polymeren, zodat het resulterende composiet gemakkelijk kon worden gerecycled en omgevormd tot andere vormen. Met het oog op het milieu richtten ze het onderzoek op het biobased cellulosepropionaat voor de composietmatrix. Hun studie omvatte onderzoek naar de effecten van bestraling met elektronenstralen op de sterkte van polymeren die zijn gefunctionaliseerd met esters om de verknoping te vergroten, en versterkt met koolstofvezels, evenals verschillende vormen tijdens bestraling (halters en pellets) en lange en korte extrusienozzles.

Terwijl de onderzoekers een mate van controle over crosslinking onder straling konden aantonen met het gebruik van functionaliserende esters, dit was niet altijd gunstig voor de mechanische eigenschappen, vooral wanneer het netwerk van polymeren de mobiliteit van de vezels belemmerde. In aanvulling, het is bekend dat er een minimale koolstofvezellengte is waaronder hun opname de treksterkte van de composiet compromitteert in plaats van verbetert, aangezien hun aanwezigheid scheuren veroorzaakt.

Ondanks de mogelijke nadelen van koolstofvezelopname en door straling geïnduceerde verknoping, de onderzoekers ontdekten dat het bestralen van pellets van korte koolstofvezelcomposiet ze sterker maakte. Verdere studies suggereerden dat de bestraling de koolstofvezels versterkte en verlengde, terwijl het bestralen van pellets en het maken van dumbbells van de pellets voldoende onverknoopte polymeermatrix overbleef voor enige koolstofvezelmobiliteit om spanningen te verminderen. Het kortere mondstuk, ook verminderde effecten die koolstofvezel tijdens extrusie verkorten.

"Het composiet behoudt zijn potentieel voor recycleerbaarheid (d.w.z. nog steeds thermoplastisch) en de behandeling is praktisch vrij van chemicaliën, rapporteren de onderzoekers. Toekomstig werk kan verdere mechanische karakterisering van het materiaal omvatten.

Achtergrond

Milieuvoordelen van met koolstof versterkte thermoplasten

Materialen met een lagere massa hebben minder brandstof nodig om ze te verplaatsen, zodat het gebruik van lichtgewicht eigenschappen van thermoplasten in autotoepassingen de brandstofbehoefte zou kunnen verminderen. In aanvulling, thermoplasten kunnen gemakkelijk worden verwerkt uit grotendeels goedaardige componenten, waardoor ze gemakkelijker kunnen worden gerecycled.

Het verkrijgen van koolstofvezels wordt ook steeds duurzamer, met meldingen van koolstofvezels geproduceerd uit lignine in biomassa. Als gevolg hiervan zou het gebruik van koolstofvezels om de mechanische eigenschappen van thermoplastische polymeren te verbeteren een milieuvriendelijke materiaaloptie kunnen bieden voor toepassingen waar de ervaren mechanische spanningen en spanningen matig zijn.

Bestraling en verknoping

Bestraling leidt tot zowel ketensplitsing als verknopingseffecten in polymeren. Bij cellulosepropionaat weegt ketensplitsing ruimschoots op tegen verknoping. Hoewel functionaliseren met esters de verknoping onder bestraling zou kunnen verbeteren, de onderzoekers ontdekten dat dit de treksterkte juist verminderde naarmate het polymeer stijver werd.

Het toevoegen van koolstofvezels kan plaatsen opleveren die scheuren veroorzaken. Als de koolstofvezels lang genoeg zijn, is het algehele effect nog steeds een sterker materiaal, maar voor korte koolstofvezels, hun opname kan de composiet zelfs verzwakken. Bovendien kan verknoping in de polymeermatrix de mobiliteit van vezels remmen, zodat er spanningen ontstaan.

De onderzoekers ontdekten ook dat extrusie koolstofvezels verder kan inkorten, een effect dat een kortere extrusiespuitmond kan helpen verminderen. Bestraling heeft een positief effect op de sterkte en lengte van koolstofvezels door de vorming van vrije radicalen die covalente bindingen vormen tussen vlakken in de grafietvezelstructuur. Dientengevolge verbeterde de productie van halters uit bestraalde met koolstofvezel versterkte polymeerpellets de mechanische eigenschappen van het materiaal; de bestraling leidde tot sterkere langere koolstofvezels, en het maken van de dumbbells van bestraalde pellets leidde tot een niet-verknoopte matrix van de verschillende pellets om vezelbeweging mogelijk te maken.