Termoplastisen hiilikuidun valmistuksessa teollisuus käyttää yleisesti näitä neljää liimausainetta.
Termoplastisten hiilikuitukomposiittien valmistuksessa on tarpeen käsitellä kysymystä hiilikuidun ja termoplastisen hartsin välisestä rajapinnan sidoslujuudesta paremman tunkeutumisen ja sidosvaikutuksen varmistamiseksi myöhemmissä prosesseissa. Liimausaineilla on tässä tärkeä rooli. Erilaisilla termoplastisilla matriisimateriaaleilla on kuitenkin erilaisia fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia, joten tarvitaan kokeita erityyppisten liimausaineiden tunnistamiseksi, jotka täyttävät erityiset käyttövaatimukset.
Liima-aineiden yhteensopivuuden parantamiseksi kestomuovipohjaisten komposiittien kanssa teollisuus on tehnyt laajaa tutkimusta erilaisista uusista liima-aineista erilaisille kestomuovihartseille. Tavoitteena on saavuttaa läheinen rakenteellinen samankaltaisuus ja vahva vuorovaikutus liima-aineiden ja kestomuovihartsien välillä. . Lukuisten kokeiden ja vertailevien tietojen arvioinnin jälkeen on havaittu, että seuraavat neljä liima-ainetta ovat erityisen sopivia: polyamidi (PA), polyuretaani (PU), polyaryylieetteri ja polyimidi (PI).
1. Polyamidi (PA) liimausaine
Polyamidilla (PA), joka tunnetaan myös nimellä nylon, on erinomainen kemiallinen stabiilisuus, kulutuskestävyys ja mekaaniset ominaisuudet. Sitä käytetään yleisesti erikoiskuiduissa, teknisissä muoveissa ja kestomuovihartsipohjaisissa komposiittimatriisihartseissa. Koska PA:ta on käytetty laajasti kestomuovihartsipohjaisten komposiittien matriisihartsina, PA:n valitseminen liimausaineen komponentiksi voi parantaa kestomuovihartsipohjaisten komposiittien rajapintojen yhteensopivuutta.
Liuotinpohjainen liimausaine valmistettiin liuottamalla modifioitua PA polyoleihin ja levittämällä sitä liimattoman T300-hiilikuitulle. Tämä johti CF/PA66-komposiittien valmistukseen. Hyvä yhteensopivuus liimausaineen ja nylon 66 -matriisihartsin välillä johti kemiallisen sitoutumisen ja fysikaalisen adsorption synergistiseen vaikutukseen, mikä paransi onnistuneesti komposiittien vetolujuutta ja iskulujuutta vastaavasti 40,87 % ja 43,59 %.
Tämä menetelmä vaatii kuitenkin huomattavan määrän orgaanisia liuottimia, mikä aiheuttaa vakavia uhkia ympäristön ja tuotannon turvallisuudelle, ja kuivausliuottimien energiankulutus on huomattava. Siksi PA-liima-ainetutkimuksen painopiste on vähitellen siirtymässä kohti ympäristöystävällisempiä vesipohjaisia liimausaineita. Tällä hetkellä stabiilien dispergoitujen PA-emulsioiden saaminen käyttäen pinta-aktiivisia aineita ja PA:n vesipitoisten liimausaineiden valmistaminen hydrofiilisen modifioinnin avulla ovat kypsempiä lähestymistapoja.
2. Polyuretaani (PU) liimausaine
Polyuretaanilla (PU) on hyvä yhteensopivuus ja sidoslujuus erilaisten kestomuovihartsien kanssa ainutlaatuisen kemiallisen rakenteensa ansiosta, joten sitä voidaan käyttää laajasti liimausaineena. Hyödyntämällä uretaani- ja karbonaattirakenteiden välisiä yhtäläisyyksiä ja yhteensopivuuksia, PU:ta voidaan käyttää liimausaineena hiilikuitu (CF)/termoplastinen polykarbonaatti (PC) -komposiiteissa olevien kuitujen liimaamiseen liuotinmenetelmällä.
Polyuretaani (PU) liimausaineen lämpöstabiilisuus on erinomainen; se alkaa laihtua vasta 270 asteen lämpötiloissa. Tämä mahdollistaa kemiallisen sitoutumisen polykarbonaatti (PC) -matriisin karbonaattirakenteiden kanssa, mikä johtaa komposiittien kerrosten välisen leikkauslujuuden kasvuun 38,1 MPa:sta 62,9 MPa:iin, mikä edustaa 65 % parannusta.
Ympäristöasioiden korostumisen myötä liuotinpohjaiset PU-liimausaineet kuitenkin korvataan vähitellen vesipohjaisilla liimajärjestelmillä. Emulsiodispersio on yksi yleisesti käytetyistä menetelmistä vesipohjaisten PU-liimausaineiden valmistamiseksi. Vesipohjaisia emulsio-PU-liimausaineita voidaan säilyttää jopa kuusi kuukautta normaaleissa lämpökuivausolosuhteissa lämmönkestävyyden ollessa 280–300 astetta, mikä voi nostaa CF/PA66-komposiittien kerrostenvälisen leikkauslujuuden yli 78 MPa:iin, mikä osoittaa paremman merkittävä parannus.
Polyaryeetteriliimausaine
Polyaryeetterit ovat polymeerejä, jotka sisältävät aromaattisia renkaita ja eetterisidoksia. Tunnettuja esimerkkejä ovat polyeetterieetteriketoni (PEEK), polyfenyleenisulfidi (PPS) ja polyeetterisulfoni (PES). Jäykät bentseenirenkaat ja joustavat eetterisidokset antavat näille materiaaleille erinomaiset mekaaniset ja termiset ominaisuudet, samalla kun ne mahdollistavat joidenkin järjestelmien kiteisyyden, mikä mahdollistaa jatkuvan käytön korkeissa lämpötiloissa ja kosteissa olosuhteissa. Niitä käytetään laajalti korkean suorituskyvyn teknisinä muoveina ja kestomuovihartseina ilmailu-, elektroniikka-, energia- ja lääketieteen aloilla.
Polyaryeettereiden jäykkä ja vakaa rakenne, vaikka se tarjoaa monia etuja, tekee niistä myös haastavan reagoida muiden aktiivisten ryhmien kanssa, mikä johtaa heikkoon rajapintasidostukseen hiilikuitujen (CF) kanssa. Siksi polyaryylieetterijärjestelmien modifioinnista ja liimausaineiden valmistamisesta niiden sidoslujuuden parantamiseksi CF- ja termoplastisten matriisien kanssa on tullut ensisijainen ratkaistava ongelma. Vahva happokäsittely on tehokas menetelmä aktiivisten ryhmien lisäämiseksi polyaryylieetterimolekyyleihin.
Käyttämällä sulfonointikäsittelyä PEEK-järjestelmään lisättiin natriumsulfonaattirakenteita (-SO3Na) liimausaineen valmistamiseksi. Sulfoniryhmät voivat muodostaa vetysidoksia kuidun pinnalla olevien ryhmien kanssa, ja liima-aine on yhteensopiva PEEK-matriisin kanssa, mikä helpottaa matriisihartsin kostuttamista ja tunkeutumista CF:ään. Komposiittimateriaalin kerrosten välinen leikkauslujuus saavutti 78,2 MPa.
Lisäksi valmistettiin liuotinpohjainen hybridiliimausaine modifioimalla grafeenioksidia (GO), jonka diamiinirakenne on samanlainen kuin polyeetterisulfonin (PES), joka ei vain tuonut aktiivisia aminoryhmiä, vaan myös paransi järjestelmän lämpöstabiilisuutta. Erilaiset vuorovaikutukset, kuten kemiallinen sidos, vetysidos, polaarinen vetovoima, van der Waalsin voimat ja mekaaninen lukitus, voivat saada aikaan vahvan sidoksen liimausaineen, GO:n, CF:n ja PES-matriisin välillä, mikä johtaa 74,1 %:n parantumiseen rajapinnan ominaisuuksissa. CF/PES-komposiiteista.
4. Polyimidi (PI) liimausaine
Polyimidit (PI) ovat korkean suorituskyvyn polymeerejä, joiden molekyylirungossa on imidirenkaita. Niillä on erittäin jäykkä ketjurakenne ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, mikä tekee niistä yhden korkeimman lämpötilan omaavista polymeerimateriaaleista. PI:t ovat löytäneet laajalle levinneitä sovelluksia ilmailu-, sotilas-, elektroniikka- ja muilla aloilla. Näistä polyeetteri-imidi- (PEI) -liima-aineet, jotka sisältävät joustavia eetterisidoksia, ovat saaneet viime vuosina huomattavaa huomiota korkeissa lämpötiloissa käytettävinä liima-aineina poikkeuksellisen lämpöstabiiliutensa, parantuneen joustavuuden, paremman liukoisuuden ja yhteensopivuuden ansiosta kestomuovihartsien kanssa.
PI-liimausaineet kestävät korkeita lämpötiloja ja täyttävät korkean suorituskyvyn kestomuovihartsipohjaisten komposiittien (kuten CF/PES- ja CF/PEEK-komposiittien) muovaus- ja käyttöolosuhteet. Kuitenkin, kuten polyaryeetteriliima-aineet, PI-liima-aineiden jäykkä ja vakaa molekyylirakenne johtaa alhaiseen sitoutumiskykyyn hiilikuituihin (CF) ja huonoon prosessoitavuuteen, mikä edellyttää kemiallista modifiointia.
PI-liimausaineen modifiointi suoritettiin nanopartikkeleita käyttämällä dispergoimalla moniseinäisiä hiilinanoputkia (MWCNT) PEI:n dikloorimetaaniliuokseen. T300-laatuisen CF-kankaan pinta käsiteltiin liuotinmenetelmällä. Tutkimukset havaitsivat, että MWCNT sekaliima-aineessa toi tehokkaasti käyttöön suuren määrän aktiivisia ryhmiä ja pystyi peittämään tasaisesti kuidun pinnan. Mitoituksen jälkeen PEI:n imidirenkaat saattoivat muodostaa polaarisia vuorovaikutuksia ja vetysidoksia hydroksyyli- ja karboksyyliryhmien kanssa MWCNT-pinnalla, kun taas π-π-pinoutumisvuorovaikutuksia tapahtui MWCNT:n aromaattisten renkaiden ja PEEK-matriisihartsin välillä. Tämä modifikaatio esti merkittävästi halkeamien etenemistä, mikä johti lopulta 90,7 MPa:n kerrosten väliseen leikkauslujuuteen komposiittimateriaalille.
Tarkkaan ottaen polyamidi (PA), polyuretaani (PU), polyaryeetteri ja polyimidi (PI) edustavat neljää liimausaineiden luokkaa, joista jokainen on räätälöity erityyppisille termoplastisille hartseille. Näihin liimausainejärjestelmiin tehdään tyypillisesti erilaisia muutoksia käytön aikana, jotta termoplastisten hiilikuitukomposiittien suorituskykyominaisuudet paranevat tehokkaasti. Lisäksi on tärkeää pohtia, voivatko koeprosessit aiheuttaa merkittäviä kielteisiä ympäristövaikutuksia. Parhaiden ratkaisujen löytämiseksi lukuisat asiantuntijat ja tutkijat sekä kotimaassa että kansainvälisesti pyrkivät löytämään sopivimmat lähestymistavat.
