電子束增強可回收的納米復(fù)合材料

用碳纖維增強的聚合物結(jié)合了強度和低重量。他們還擁有重要的綠色證書，因為他們在生產(chǎn)和使用過程中資源消耗較少，而且很容易回收利用。雖然連續(xù)纖維層壓板的機械性能對于航空航天和汽車的應(yīng)用具有足夠的競爭力，但用短碳纖維增強的復(fù)合材料對于快速制造而言可能是有吸引力的，甚至對于具有更中等強度要求的應(yīng)用的3D打印也是如此。因此，人們對優(yōu)化短纖維增強熱塑性塑料的機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)境問題，他們將研究重點放在復(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用酯官能化以增加交聯(lián)的聚合物的強度的影響，以及用碳纖維增強的效果，以及在輻照(啞鈴和顆粒)和長和短擠出噴嘴期間的不同形式。

雖然研究人員能夠通過使用官能化酯來證明對輻射交聯(lián)的控制水平，但這并不總是有利于機械性能，特別是當聚合物網(wǎng)絡(luò)阻礙纖維的移動性時。此外，已知存在最小碳纖維長度，低于該長度，它們的夾雜物會損害而不是增強復(fù)合材料的拉伸強度，因為它們的存在會導(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，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。進一步的研究表明，輻照強化和延長了碳纖維，同時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以減輕應(yīng)力。較短的噴嘴也減少了擠出過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，并且該處理實際上不含化學成分，”研究人員報告說。未來的工作可能包括材料的進一步機械表征。

背景

碳增強熱塑性塑料的環(huán)境效益

較低質(zhì)量的材料需要較少的燃料來移動它們，因此在汽車應(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)生的碳纖維的報道，獲得碳纖維也變得越來越可持續(xù)。因此，使用碳纖維來增強熱塑性聚合物的機械性能可以為經(jīng)受機械應(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，斷鏈大大超過交聯(lián)。雖然用酯官能化可以增強輻照下的交聯(lián)，但研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著聚合物變硬，這實際上降低了拉伸強度。

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，則整體效果仍然是較強的材料，但對于短碳纖維，它們的包含實際上會削弱復(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性，從而產(chǎn)生應(yīng)力。

研究人員還發(fā)現(xiàn)，擠出可以進一步縮短碳纖維，這種效果可以縮短擠出噴嘴的使用時間。通過形成在石墨纖維結(jié)構(gòu)中的平面之間形成共價鍵的自由基，輻照對碳纖維強度和長度具有積極影響。因此，用經(jīng)輻照的碳纖維增強聚合物顆粒生產(chǎn)啞鈴改善了材料的機械性能; 所述照射導(dǎo)致更強的長碳纖維并且用經(jīng)輻照的顆粒制造啞鈴導(dǎo)致來自不同顆粒的一些未交聯(lián)的基質(zhì)以允許纖維移動。