Elektronstråle styrker genanvendelig nanokomposit

Polymerer forstærket med kulfiber kombinerer styrke og lav vægt. De kan også prale af betydelige grønne legitimationsoplysninger, da de er mindre ressourcekrævende under produktion og brug, og de genbruges let. Mens de mekaniske egenskaber af kontinuerlige fiberlaminater er tilstrækkeligt konkurrencedygtige til applikationer i rumfart og biler, kompositter forstærket med korte kulfibre kunne være attraktive til hurtig fremstilling, og endda 3-D-print til applikationer med mere moderate styrkekrav. Som resultat, der er stor interesse i at optimere de mekaniske egenskaber af kortfiberforstærket termoplast for at maksimere potentialet i disse materialer. László Szabó og Kenji Takahashi og kolleger ved Kanazawa University og Kanazawa Institute of Technology har nu demonstreret, at bestråling af korte kulfibertermoplaster med en elektronstråle kan forbedre deres mekaniske egenskaber.

Forskerne begrænsede deres undersøgelse til polymerer, så det resulterende kompositmateriale let kunne genbruges og omformes til andre former. Med miljøvenlige hensyn i tankerne fokuserede de undersøgelsen på det biobaserede cellulosepropionat til den sammensatte matrix. Deres undersøgelse omfattede undersøgelse af virkningerne af elektronstrålebestråling på styrken for polymerer funktionaliserede med estere for at øge tværbindingen, og forbedret med kulfiber, samt forskellige former under bestråling (håndvægte og pellets) og lange og korte ekstruderingsdyser.

Mens forskerne var i stand til at demonstrere et niveau af kontrol over tværbinding under stråling ved hjælp af funktionaliserende estere, dette var ikke altid gavnligt for de mekaniske egenskaber, især når netværket af polymerer hindrede fibrenes mobilitet. Ud over, der vides at være en minimum carbonfiberlængde, under hvilken deres inklusion kompromitterer snarere end forøger kompositets trækstyrke, da deres tilstedeværelse forårsager revner.

På trods af de potentielle ulemper ved inklusion af kulfiber og bestrålingsinduceret tværbinding, forskerne fandt ud af, at bestråling af pellets af kortkulfiberkomposit gjorde dem stærkere. Yderligere undersøgelser tydede på, at bestrålingen styrkede og forlængede kulfibrene, mens bestråling af pellets og fremstilling af håndvægte af pellets efterlod tilstrækkelig ikke-tværbundet polymermatrix til en vis kulfibermobilitet for at afbøde spændinger. Den kortere dyse, også formindskede effekter, der forkorter kulfiber under ekstrudering.

"Kompositten bevarer sit potentiale for genanvendelighed (dvs. stadig termoplastisk), og behandlingen er praktisk talt fri for kemikalier, " rapporterer forskerne. Fremtidigt arbejde kan omfatte yderligere mekanisk karakterisering af materialet.

Baggrund

Miljømæssige fordele ved kulforstærket termoplast

Materialer med lavere masse kræver mindre brændstof for at flytte dem, så udnyttelse af lette egenskaber ved termoplast i bilapplikationer kan reducere brændstofbehovet. Ud over, termoplast kan let forarbejdes fra stort set godartede komponenter, hvilket gør dem lettere at genbruge.

At få kulfiber bliver også mere og mere bæredygtigt, med rapporter om kulfiber produceret af lignin i biomasse. Som følge heraf kunne brugen af ​​kulfibre til at forbedre de mekaniske egenskaber af termoplastiske polymerer give en miljøvenlig materialemulighed til applikationer, hvor mekaniske belastninger og belastninger er moderate.

Bestråling og tværbinding

Bestråling fører til både kædespaltning og tværbindingseffekter i polymerer. I cellulosepropionatkædespaltning opvejer tværbinding i høj grad. Selvom funktionalisering med estere kunne forbedre tværbinding under bestråling, forskerne fandt ud af, at dette faktisk mindskede trækstyrken, da polymeren blev stivere.

Tilføjelse af kulfibre kan give steder, der initierer revner. Hvis kulfibrene er lange nok, er den samlede effekt stadig et stærkere materiale, men for korte kulfibre, deres optagelse kan faktisk svække sammensætningen. Derudover kan tværbinding i polymermatrixen hæmme fibermobilitet, så stress bygges op.

Forskerne fandt også ud af, at ekstrudering yderligere kan forkorte kulfibre, en effekt, som en kortere ekstruderingsdyse kan være med til at afbøde. Bestråling har en positiv effekt på kulfiberstyrke og længde ved at danne frie radikaler, der danner kovalente bindinger mellem fly i den grafitiske fiberstruktur. Som et resultat forbedrede frembringelse af håndvægte fra bestrålede carbonfiberforstærkede polymerpiller materialets mekaniske egenskaber; bestrålingen førte til stærkere længere kulfibre, og fremstilling af håndvægte ud fra bestrålede pellets førte til en ikke -tværbundet matrix fra de forskellige pellets for at tillade fiberbevægelse.