碳纖維熱塑性PPS復合材料的應用優(yōu)勢及研究進展
連續(xù)碳纖維纖維增強熱塑性復合材料憑借其優(yōu)異的性能優(yōu)勢,在近幾年乃至未來幾十年的先進復合材料行業(yè)中都將表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。
這類熱塑性復合材料不僅克服了熱固性樹脂復合材料無法解決的斷裂延伸率低、韌性差、吸濕、損傷容限比較低、預浸料貯存期短、設計自由度小等缺陷問題,更具備環(huán)保、可再生利用、成型快等現(xiàn)代市場所需要的新型特質:因為這類復合材料在加工過程中不需引入溶劑和助劑,所以能減少甚至是一定程度上避免了環(huán)境污染,而且熱塑類制品不像熱固類復合材料產(chǎn)品成型后不可再利用,在一定溫度條件下,其具備可回收、再生重復使用的可能性。另外,相對于熱固類制品,熱塑類復合材料制品成型速度要快一些,制造周期短,這有利于降低產(chǎn)品的成本。
因此,連續(xù)性纖維增強熱塑性樹脂復合材料作為結構材料不僅能成功應用于汽車領域,也具備在工業(yè)、交通、醫(yī)療等更多領域長足發(fā)展的條件。
在熱塑性復合材料的基體材料和增強體中,碳纖維(CF)作為一種高強度、高模量且質輕的纖維,在汽車等領域中已得到相對廣泛的應用。聚苯硫醚(PPS)是一種以苯環(huán)和硫原子組成分子主鏈的線性半結晶聚合物,其具備一系列優(yōu)良的性質,如優(yōu)異的力學性能、化學穩(wěn)定性、耐溶劑性、阻燃性等,并且具備良好的加工成型性能,作為目前產(chǎn)量最大的一種特種工程塑料,市場應用基礎成熟。通過CF增強PPS樹脂,可以制備得到機械性能、耐熱性能等更為優(yōu)異的復合材料。最有代表性的應用實例就是以碳纖維增強聚苯硫醚復合材料制作空客A340/A380機翼前緣。
但是在碳纖維增強聚苯硫醚樹脂基復合材料的實際應用中仍然存在以下問題:一是碳纖維材料表面呈惰性,界面強度較弱,會一定程度上影響到復合材料的整體性能,二是目前所用的碳纖維表面的上漿劑和界面改性劑耐熱性差,在高溫加工時可能會分解,界面改善效果不理想。而且,PPS是一種非極性高分子材料,碳纖維與其界面結合強度不好。簡而言之,就是二者熔融粘度較大,纖維的浸漬比較困難。因此,如何解決樹脂基體對纖維的完全浸漬也就成為碳纖維增強的聚苯硫醚樹脂基復合材料取得廣泛應用的最大難題。
在連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料系列產(chǎn)品的開發(fā)過程中,我們無錫智上新材的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn),樹脂基體PPS對溫度的敏感性較高,隨著溫度的升高,熔體粘度逐漸下降;但是一旦溫度過高又會使PPS發(fā)生交聯(lián)反應,而不同程度的交聯(lián)對材料的拉伸、彎曲、層間剪切、沖擊的影響是不一樣的,因此,如何管控以取得最佳溫度,對解決上述問題有直接影響。
在此思路的啟發(fā)下,我們無錫智上新材的熱塑性產(chǎn)品開發(fā)人員通過針對性的界面改性及制作工藝的不斷完善和改良,不僅有效提升了熔融的程度,更通過連續(xù)碳纖維增強的方式突破了傳統(tǒng)碳纖維粉末增強的固有模式,賦予了碳纖維增強聚苯硫醚復合材料以更強的性能表現(xiàn),為其在更多高端智能化工業(yè)、醫(yī)療等領域的深入應用做好鋪墊。
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