Polymerer förstärkta med kolfibrer kombinerar styrka och låg vikt. De har också betydande gröna meriter eftersom de är mindre resurskrävande under produktion och användning, och de återvinns lätt. Även om de mekaniska egenskaperna hos kontinuerliga fiberlaminat är tillräckligt konkurrenskraftiga för applikationer inom flyg och bil, kompositer förstärkta med korta kolfibrer kan vara attraktiva för snabb tillverkning, och till och med 3D-utskrift för applikationer med mer måttliga hållfasthetskrav. Som ett resultat, Det finns ett stort intresse för att optimera de mekaniska egenskaperna hos kortfiberarmerade termoplaster för att maximera potentialen hos dessa material. László Szabó och Kenji Takahashi och kollegor vid Kanazawa University och Kanazawa Institute of Technology har nu visat att bestrålning av korta kolfibertermoplaster med en elektronstråle kan förbättra deras mekaniska egenskaper.

Forskarna begränsade sin studie till polymerer så att den resulterande kompositen lätt kunde återvinnas och omformas till andra former. Med tanke på miljövänliga tankar fokuserade de studien på det biobaserade cellulosapropionatet för den sammansatta matrisen. Deras studie inkluderade undersökning av effekterna av elektronstrålebestrålning på styrkan för polymerer funktionaliserade med estrar för att öka tvärbindningen, och förstärkt med kolfibrer, samt olika former under bestrålning (hantlar och pellets) och långa och korta extruderingsmunstycken.

Medan forskarna kunde visa en nivå av kontroll över tvärbindning under strålning med användning av funktionaliserande estrar, detta var inte alltid fördelaktigt för de mekaniska egenskaperna, speciellt när nätverket av polymerer hindrade fibrernas rörlighet. Dessutom, det är känt att det finns en minsta kolfiberlängd under vilken deras införande äventyrar snarare än förbättrar draghållfastheten hos kompositen när deras närvaro orsakar sprickor.

Trots de potentiella nackdelarna med kolfiberinneslutning och bestrålningsinducerad tvärbindning, forskarna fann att bestrålning av pellets av kort kolfiberkomposit gjorde dem starkare. Ytterligare studier antydde att bestrålningen stärkte och förlängde kolfibrerna, medan bestrålning av pellets och tillverkning av hantlar från pellets lämnade tillräcklig otvärbunden polymermatris för viss kolfiberrörlighet för att minska spänningar. Det kortare munstycket, också minskade effekter som förkortar kolfiber under extrudering.

"Kompositen behåller sin potential för återvinningsbarhet (dvs. fortfarande termoplast) och behandlingen är praktiskt taget kemikaliefri, " rapporterar forskarna. Framtida arbete kan omfatta ytterligare mekanisk karakterisering av materialet.

Bakgrund

Miljöfördelar med kolförstärkta termoplaster

Material med lägre massa kräver mindre bränsle för att flytta dem, så att utnyttjande av lättviktsegenskaper hos termoplaster i biltillämpningar kan minska bränslebehovet. Dessutom, termoplaster kan lätt bearbetas från i stort sett godartade komponenter vilket gör dem lättare att återvinna.

Att få kolfibrer blir också alltmer hållbart, med rapporter om kolfibrer framställda av lignin i biomassa. Som ett resultat av detta kan användningen av kolfibrer för att förbättra de mekaniska egenskaperna hos termoplastiska polymerer utgöra ett miljövänligt materialalternativ för applikationer där mekaniska påfrestningar och töjningar är måttliga.

Bestrålning och tvärbindning

Bestrålning leder till både kedjeklyvning och tvärbindningseffekter i polymerer. I cellulosapropionat kedjeskärning väger tyngre än tvärbindning. Även om funktionalisering med estrar kan förbättra tvärbindningen under bestrålning, forskarna fann att detta faktiskt minskade draghållfastheten när polymeren blev styvare.

Att lägga till kolfibrer kan ge platser som initierar sprickor. Om kolfibrerna är tillräckligt långa är den totala effekten fortfarande ett starkare material men för korta kolfibrer, deras inkludering kan faktiskt försvaga kompositen. Dessutom kan tvärbindning i polymermatrisen hämma fiberrörligheten, så att spänningar byggs upp.

Forskarna fann också att extrudering ytterligare kan förkorta kolfibrer, en effekt som ett kortare extruderingsmunstycke kan bidra till att mildra. Bestrålning har en positiv effekt på kolfiberstyrkan och längden genom att bilda fria radikaler som bildar kovalenta bindningar mellan plan i den grafitfiberstrukturen. Som ett resultat förbättrade tillverkningen av hantlar från bestrålade kolfiberförstärkta polymerpellets materialets mekaniska egenskaper; bestrålningen ledde till starkare längre kolfibrer, och att göra hantlarna från bestrålade pellets ledde till någon icke-tvärbunden matris från de olika pellets för att tillåta fiberrörelse.