電子束增強(qiáng)可回收的納米復(fù)合材料

用碳纖維增強(qiáng)的聚合物結(jié)合了強(qiáng)度和低重量。他們還擁有重要的綠色證書(shū)，因?yàn)樗麄冊(cè)谏a(chǎn)和使用過(guò)程中資源消耗較少，而且很容易回收利用。雖然連續(xù)纖維層壓板的機(jī)械性能對(duì)于航空航天和汽車(chē)的應(yīng)用具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力，但用短碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料對(duì)于快速制造而言可能是有吸引力的，甚至對(duì)于具有更中等強(qiáng)度要求的應(yīng)用的3D打印也是如此。因此，人們對(duì)優(yōu)化短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的機(jī)械性能以使這些材料的潛力最大化具有濃厚的興趣。

研究人員將他們的研究限制在聚合物中，以便所得到的復(fù)合材料可以很容易地回收并重塑成其他形式?？紤]到環(huán)境問(wèn)題，他們將研究重點(diǎn)放在復(fù)合基質(zhì)的生物基丙酸纖維素上。他們的研究包括研究電子束輻照對(duì)用酯官能化以增加交聯(lián)的聚合物的強(qiáng)度的影響，以及用碳纖維增強(qiáng)的效果，以及在輻照(啞鈴和顆粒)和長(zhǎng)和短擠出噴嘴期間的不同形式。

雖然研究人員能夠通過(guò)使用官能化酯來(lái)證明對(duì)輻射交聯(lián)的控制水平，但這并不總是有利于機(jī)械性能，特別是當(dāng)聚合物網(wǎng)絡(luò)阻礙纖維的移動(dòng)性時(shí)。此外，已知存在最小碳纖維長(zhǎng)度，低于該長(zhǎng)度，它們的夾雜物會(huì)損害而不是增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，因?yàn)樗鼈兊拇嬖跁?huì)導(dǎo)致裂縫。

盡管碳纖維夾雜物和輻照誘導(dǎo)交聯(lián)的潛在缺點(diǎn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，照射短碳纖維復(fù)合材料顆粒使它們更強(qiáng)。進(jìn)一步的研究表明，輻照強(qiáng)化和延長(zhǎng)了碳纖維，同時(shí)照射顆粒并從顆粒制造啞鈴留下足夠的未交聯(lián)聚合物基質(zhì)，以使一些碳纖維移動(dòng)以減輕應(yīng)力。較短的噴嘴也減少了擠出過(guò)程中縮短碳纖維的效果。

“復(fù)合材料保留了其可回收性(即仍為熱塑性塑料)的潛力，并且該處理實(shí)際上不含化學(xué)成分，”研究人員報(bào)告說(shuō)。未來(lái)的工作可能包括材料的進(jìn)一步機(jī)械表征。

背景

碳增強(qiáng)熱塑性塑料的環(huán)境效益

較低質(zhì)量的材料需要較少的燃料來(lái)移動(dòng)它們，因此在汽車(chē)應(yīng)用中利用熱塑性塑料的輕質(zhì)特性可降低燃料需求。此外，熱塑性塑料可以很容易地從大部分良性組件中加工，使其更容易回收。

隨著生物質(zhì)中木質(zhì)素產(chǎn)生的碳纖維的報(bào)道，獲得碳纖維也變得越來(lái)越可持續(xù)。因此，使用碳纖維來(lái)增強(qiáng)熱塑性聚合物的機(jī)械性能可以為經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力和應(yīng)變的應(yīng)用提供環(huán)境友好的材料選擇。

照射和交聯(lián)

照射導(dǎo)致聚合物中的斷鏈和交聯(lián)效應(yīng)。在丙酸纖維素鏈中，斷鏈大大超過(guò)交聯(lián)。雖然用酯官能化可以增強(qiáng)輻照下的交聯(lián)，但研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物變硬，這實(shí)際上降低了拉伸強(qiáng)度。

添加碳纖維可以提供引發(fā)裂縫的位置。如果碳纖維足夠長(zhǎng)，則整體效果仍然是較強(qiáng)的材料，但對(duì)于短碳纖維，它們的包含實(shí)際上會(huì)削弱復(fù)合材料。此外，聚合物基質(zhì)中的交聯(lián)可以抑制纖維的移動(dòng)性，從而產(chǎn)生應(yīng)力。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，擠出可以進(jìn)一步縮短碳纖維，這種效果可以縮短擠出噴嘴的使用時(shí)間。通過(guò)形成在石墨纖維結(jié)構(gòu)中的平面之間形成共價(jià)鍵的自由基，輻照對(duì)碳纖維強(qiáng)度和長(zhǎng)度具有積極影響。因此，用經(jīng)輻照的碳纖維增強(qiáng)聚合物顆粒生產(chǎn)啞鈴改善了材料的機(jī)械性能; 所述照射導(dǎo)致更強(qiáng)的長(zhǎng)碳纖維并且用經(jīng)輻照的顆粒制造啞鈴導(dǎo)致來(lái)自不同顆粒的一些未交聯(lián)的基質(zhì)以允許纖維移動(dòng)。