При получаването на термопластични въглеродни влакна индустрията обикновено използва тези четири оразмеряващи агента.

За да се подобри съвместимостта на оразмеряващите агенти с композити на основата на термопластични смоли, индустрията е провела обширни изследвания на различни нови оразмеряващи агенти за различни термопластични смоли, с цел да се постигне тясна структурна прилика и силни взаимодействия между оразмеряващите агенти и термопластичните смоли . След множество експерименти и сравнителни оценки на данни беше установено, че следните четири оразмеряващи агента са особено подходящи: полиамид (PA), полиуретан (PU), полиарилетер и полиимид (PI).

1. Полиамиден (PA) оразмеряващ агент

Полиамидът (PA), известен също като найлон, притежава отлична химическа стабилност, устойчивост на износване и механични свойства. Обикновено се използва в специални влакна, инженерни пластмаси и композитни матрични смоли на базата на термопластична смола. Тъй като PA е широко използван като матрична смола за композити на базата на термопластична смола, избирането на PA като компонент на оразмеряващия агент може да подобри съвместимостта на повърхността на композитите на базата на термопластична смола.

Оразмеряващ агент на базата на разтворител се приготвя чрез разтваряне на модифициран PA в полиоли и нанасянето му върху въглеродни влакна T300 с намален размер. Това доведе до производството на CF/PA66 композити. Добрата съвместимост между оразмеряващия агент и матричната смола найлон 66 доведе до синергичен ефект на химическо свързване и физическа адсорбция, успешно подобрявайки якостта на опън и якостта на удар на композитите съответно с 40,87% и 43,59%.

Въпреки това, този метод изисква значително количество органични разтворители, което представлява сериозна заплаха за безопасността на околната среда и производството, а консумацията на енергия за сушене на разтворители е значителна. Следователно, фокусът на изследванията на PA оразмеряващи агенти постепенно се измества към по-екологични системи за оразмеряващи агенти на водна основа. Понастоящем получаването на стабилни диспергирани PA емулсии с помощта на повърхностноактивни вещества и приготвянето на PA водни оразмеряващи агенти чрез хидрофилна модификация са по-зрели подходи.

2. Полиуретанов (PU) оразмеряващ агент

Полиуретанът (PU) показва добра съвместимост и якост на свързване с различни термопластични смоли поради уникалната си химическа структура, което го прави широко приложим като оразмеряващ агент. Чрез използване на приликите и съвместимостта между уретановите и карбонатните структури, PU може да се използва като оразмеряващ агент за оразмеряване на влакната в композити от въглеродни влакна (CF)/термопластичен поликарбонат (PC) чрез метод на разтворител.

Термичната стабилност на полиуретановия (PU) оразмеряващ агент е отлична; започва да отслабва само при температури до 270 градуса. Това позволява химическо свързване с карбонатните структури в поликарбонатната (PC) матрица, което води до увеличаване на интерламинарната якост на срязване на композитите от 38,1 MPa до 62,9 MPa, което представлява 65% подобрение.

Въпреки това, с нарастващия акцент върху проблемите на околната среда, базираните на разтворители PU оразмеряващи агенти постепенно се заменят от системи на водна основа на оразмеряващи агенти. Емулсионната дисперсия е един от често използваните методи за приготвяне на PU оразмеряващи агенти на водна основа. Емулсионните PU оразмеряващи агенти на водна основа могат да се съхраняват до шест месеца при нормални температурни условия на сушене, с устойчивост на топлина, достигаща 280–300 градуса, което може да повиши интерламинарната якост на срязване на CF/PA66 композитите до над 78 MPa, демонстрирайки повече значително подобрение.

Полиарилетерно оразмеряващо средство

Полиарилетерите са полимери, които съдържат ароматни пръстени и етерни връзки. Добре известни примери включват полиетер етер кетон (PEEK), полифенилен сулфид (PPS) и полиетерсулфон (PES). Твърдите бензенови пръстени и гъвкавите етерни връзки придават на тези материали отлични механични и термични свойства, като същевременно позволяват на някои системи да бъдат кристални, което позволява продължителна употреба при високи температури и влажни условия. Те се използват широко като високоефективни инженерни пластмаси и термопластични смоли в космическата индустрия, електрониката, енергетиката и медицината.

Въпреки това, твърдата и стабилна структура на полиарилетерите, макар да осигурява много предимства, също ги прави предизвикателство да реагират с други активни групи, което води до слабо междуфазово свързване с въглеродни влакна (CF). Следователно, модифицирането на полиарилетерни системи и подготовката на оразмеряващи агенти за подобряване на тяхната сила на свързване с CF и термопластични матрици се превърна в приоритетен проблем за решаване. Третирането със силна киселина е ефективен метод за въвеждане на активни групи в полиарилетерни молекули.

Чрез използване на обработка със сулфониране, структурите на натриев сулфонат (-SO3Na) бяха въведени в системата PEEK за получаване на оразмеряващ агент. Сулфоновите групи могат да образуват водородни връзки с групите на повърхността на влакното, а оразмеряващият агент е съвместим с PEEK матрицата, улеснявайки намокрянето и инфилтрацията на матричната смола в CF. Интерламинарната якост на срязване на композитния материал достига 78,2 MPa.

Освен това беше получен хибриден оразмеряващ агент на базата на разтворител чрез модифициране на графенов оксид (GO) с диаминова структура, подобна на тази на полиетерсулфон (PES), който не само въведе активни амино групи, но също така подобри термичната стабилност на системата. Различни взаимодействия като химическо свързване, водородно свързване, полярно привличане, сили на Ван дер Ваалс и механично блокиране могат да постигнат силна връзка между оразмеряващия агент, GO, CF и PES матрицата, което води до 74,1% подобрение на свойствата на повърхността на CF/PES композитите.

4. Полиимид (PI) оразмеряващ агент

Полиимидите (PI) са полимери с висока производителност, които съдържат имидни пръстени в своя молекулен скелет. Те притежават силно твърда верижна структура и отлични механични свойства, което ги прави едни от най-температурните полимерни материали. PI са намерили широко приложение в космическото пространство, военното оборудване, електронните комуникации и други области. Сред тях полиетеримидните (PEI) оразмеряващи агенти, които съдържат гъвкави етерни връзки, привлякоха значително внимание през последните години като оразмеряващи агенти при висока температура поради тяхната изключителна термична стабилност, подобрена гъвкавост, по-добра разтворимост и съвместимост с термопластични смоли.

PI оразмеряващите агенти могат да издържат на високи температури, отговаряйки на условията за формоване и използване на композити на базата на термопластични смоли с висока производителност (като CF/PES и CF/PEEK композити). Въпреки това, подобно на полиарилетерните оразмеряващи агенти, твърдата и стабилна молекулярна структура на PI оразмеряващите агенти води до нисък капацитет на свързване с въглеродни влакна (CF) и лоша обработваемост, което налага химическа модификация.

Модификацията на PI оразмеряващия агент се извършва с помощта на наночастици чрез диспергиране на многостенни въглеродни нанотръби (MWCNT) в дихлорометанов разтвор на PEI. Използвайки метод на разтворител, повърхността на CF тъкан от клас T300 беше обработена. Изследванията установиха, че MWCNT в смесения оразмеряващ агент ефективно въвежда голям брой активни групи и може равномерно да покрие повърхността на влакното. След оразмеряване, имидните пръстени в PEI могат да образуват полярни взаимодействия и водородни връзки с хидроксилни и карбоксилни групи на повърхността на MWCNT, докато π-π взаимодействия на наслагване възникват между ароматните пръстени на MWCNT и матричната смола PEEK. Тази модификация значително инхибира разпространението на пукнатини, което в крайна сметка води до интерламинарна якост на срязване от 90,7 MPa за композитния материал.

Строго погледнато, полиамид (PA), полиуретан (PU), полиарилетер и полиимид (PI) представляват четири категории оразмеряващи агенти, всяка от които е пригодена за различни видове термопластични смоли. Тези системи от оразмеряващи агенти обикновено претърпяват различни модификации по време на употреба, за да подобрят ефективно експлоатационните характеристики на композитите от термопластични въглеродни влакна. Освен това е важно да се обмисли дали експерименталните процеси могат да причинят значително отрицателно въздействие върху околната среда. За да намерят оптимални решения, много експерти и учени както в страната, така и в чужбина се стремят да идентифицират най-подходящите подходи.