Rozwiązania problemów zwilżania żywicy w kompozytach tkanin węglowo-aramidowych oraz wpływ na zawartość pustych przestrzeni i właściwości mechaniczne

I. Złożoność kompozytów hybrydowych

The tkanina aramidowo-węglowa Kompozyt hybrydowy to materiał zaprojektowany z myślą o ekstremalnych warunkach, oferujący wysoką sztywność i wytrzymałość włókien węglowych w połączeniu z wyjątkową odpornością na uderzenia i tolerancją na uszkodzenia włókien aramidowych. Mieszanka ta ma kluczowe znaczenie w sektorach technicznych, takich jak inżynieria lotnicza, produkcja samochodów i wyczynowy sprzęt sportowy. Jednakże wytwarzanie tych elementów hybrydowych wiąże się z istotną przeszkodą techniczną: nieodłącznie niską energią powierzchniową włókien aramidowych, co często skutkuje słabym zwilżaniem żywicy, a w konsekwencji prowadzi do dużej zawartości pustych przestrzeni i pogorszenia właściwości mechanicznych. Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. specjalizuje się w kompleksowym rozwoju i produkcji tych wysokowydajnych materiałów kompozytowych z włókien. Działając w kompleksie przemysłowym o powierzchni 32 000 metrów kwadratowych, obejmującym precyzyjnie kontrolowane środowiska produkcyjne, takie jak warsztaty z regulowanym klimatem i strefy oczyszczania o klasie czystości 100 000, wykorzystujemy zintegrowane innowacje materiałowe i wiedzę inżynieryjną. Jako fabryka kompleksowa, nasze możliwości obejmują cały proces, od tkania i produkcji prepregów po końcową produkcję kompozytów przy użyciu technologii takich jak autoklaw, RTM i PCM.

3k 1000d / 1500d Zwykła / skośna tkanina aramidowo-węglowa z mieszanym włóknem węglowym

II. Wyzwanie związane z zwilżaniem żywicy: niska energia powierzchniowa aramidu

Zwilżanie podlega zasadom chemii powierzchni, w szczególności równowadze pomiędzy energią powierzchniową włókna a napięciem powierzchniowym żywicy. Włókna aramidowe, ze względu na wysoce zorientowaną strukturę polimeru aromatycznego, są chemicznie obojętne i mają bardzo niską energię powierzchniową (często około 30-40 mN/m). Ta niska energia powierzchniowa skutkuje dużym kątem zwilżania ze standardowymi żywicami epoksydowymi lub winyloestrowymi, zapobiegając działaniu kapilarnemu żywicy (rozprzestrzenianiu) i dokładnej penetracji wiązek włókien. Ten brak przyczepności międzyfazowej drastycznie pogarsza przenoszenie obciążenia strukturalnego, co jest podstawowym celem każdego kompozytu.

A. Rozwiązanie prepregu z włókien aramidowych o niskiej energii powierzchniowej

W procesie prepregu, w którym żywica jest częściowo utwardzana na włóknie, rozwiązanie prepregu z włókna aramidowego o niskiej energii powierzchniowej często wiąże się z manipulowaniem warunkami przetwarzania w celu zwiększenia penetracji. Zwykle obejmuje to zwiększenie temperatury prepregu w celu tymczasowego obniżenia lepkości żywicy i zastosowanie wyższego ciśnienia podczas początkowej fazy impregnacji. Chociaż proces prepregu (szeroko stosowany przez firmę Dongli) generalnie zapewnia niższą zawartość pustych przestrzeni niż układanie na mokro ze względu na kontrolowaną zawartość żywicy i konsolidację próżniową, składnik aramidowy w dalszym ciągu stwarza wyzwania w porównaniu z łatwo zwilżanymi włóknami węglowymi w tkaninie aramidowo-węglowej. Porównanie metod przetwarzania podkreśla trudność:

III. Rozwiązania: modyfikacja powierzchni i optymalizacja żywicy

Inżynierowie muszą aktywnie interweniować, aby ulepszyć interfejs tkaniny aramidowo-węglowej, modyfikując powierzchnię włókien lub modyfikując skład żywicy.

A. Obróbka powierzchniowa pod kątem przyczepności żywicy z włókien aramidowych

Najbardziej skuteczną interwencją jest wstępna obróbka włókien aramidowych. Skuteczna obróbka powierzchni w celu zapewnienia przyczepności żywicy z włókien aramidowych obejmuje trawienie chemiczne (np. roztworami kwasów lub zasad) lub obróbkę plazmową. Procesy te wprowadzają aktywne grupy funkcyjne (np. grupy hydroksylowe lub karboksylowe) na powierzchnię aramidu, zwiększając jego energię powierzchniową i tworząc silne wiązania kowalencyjne lub wodorowe z matrycą polimerową. Najważniejszym kompromisem jest zapewnienie, że obróbka poprawi przyczepność, nie powodując uszkodzeń strukturalnych wysoce krystalicznej struktury aramidu, co zagroziłoby jego naturalnej wytrzymałości na rozciąganie.

B. Metody poprawy zwilżania żywicą aramidową do tkanin węglowych

Jeśli modyfikacja włókien nie jest możliwa, należy zastosować modyfikację żywicy. Metody poprawy zwilżania żywicą tkaniny aramidowo-węglowej skupiają się na dostosowaniu napięcia powierzchniowego żywicy tak, aby było niższe niż energia powierzchniowa włókna (równanie Younga). Wiąże się to z dodaniem do preparatu żywicy określonych środków powierzchniowo czynnych lub niereaktywnych rozcieńczalników. Ponadto procesy takie jak formowanie transferowe żywicy (RTM) lub infuzja żywicy wspomaganej próżniowo (VARI) stosowane w zakładzie Dongli opierają się na precyzyjnym ciśnieniu podciśnienia i kontrolowanych natężeniach przepływu, aby mechanicznie wtłaczać żywicę w ciasno tkane wiązki aramidowe, kompensując słabe naturalne zwilżanie.

IV. Konsekwencje: Pusta zawartość i degradacja mechaniczna

Nieosiągnięcie wystarczającego zwilżenia żywicą ma bezpośredni, wymierny negatywny wpływ na integralność strukturalną i wydajność gotowej części kompozytowej z tkaniny węglowo-aramidowej.

A. Wpływ zawartości pustki na kompozyt hybrydowo-węglowo-aramidowy

Niedobór zwilżalności żywicy jest główną przyczyną porowatości lub zawartości pustych przestrzeni (pęcherzyki powietrza uwięzione w laminacie). Pustki pełnią rolę koncentratorów naprężeń i miejsc inicjacji pęknięć. Wpływ zawartości pustych przestrzeni w hybrydowym kompozycie węglowo-aramidowym jest najpoważniejszy w przypadku właściwości zdominowanych przez osnowę, w szczególności wytrzymałości na ścinanie międzywarstwowe (ILSS). Wysoka zawartość pustych przestrzeni drastycznie zmniejsza odporność materiału na rozwarstwianie. Pogorszenie właściwości mechanicznych spowodowane pustymi przestrzeniami jest dobrze udokumentowane:

B. Właściwości mechaniczne tkaniny węglowo-aramidowej układanej na mokro

W przypadku struktur kompozytowych wytwarzanych przy użyciu metody właściwości mechanicznych tkaniny węglowo-aramidowej układanej na mokro, słabe zwilżanie również w szczególności pogarsza kluczowe właściwości użytkowe zapewniane przez włókno aramidowe. Aramid jest uwzględniony przede wszystkim ze względu na jego wysoką zdolność pochłaniania energii (odporność na uderzenia). Jeśli żywica nie przylega całkowicie do włókna aramidowego, obciążenie nie może zostać skutecznie przeniesione, co zmniejsza zdolność włókna do powstrzymywania rozprzestrzeniania się pęknięć, pogarszając w ten sposób odporność na uderzenia i drastycznie obniżając trwałość zmęczeniową całego laminatu.

V. Kontrola jakości i pełna wiedza procesowa

W Jiangyin Dongli New Materials Technology Co., Ltd. łagodzimy problemy zwilżania i powstawania pustych przestrzeni poprzez w pełni zintegrowane, kompleksowe podejście. Nasze kontrolowane środowisko produkcyjne, obejmujące strefy oczyszczania obejmujące 100 000 stopni, minimalizuje zanieczyszczenia, które mogą zakłócać zwilżanie. Wykorzystujemy zaawansowane procesy produkcyjne, w tym technologie autoklawu, RTM, RMCP, PCM, WCM i natryskiwania, zapewniając, że każdy etap, od prac badawczo-rozwojowych nad wysokowydajnymi tkaninami włóknistymi po końcowy produkt kompozytowy, spełnia rygorystyczne standardy jakości, minimalizując zawartość pustych przestrzeni i gwarantując określone właściwości mechaniczne.

VI. Inżynieria interfejsu

Maksymalizacja wydajności strukturalnej i mechanicznej kompozytu tkaniny aramidowo-węglowej zależy od pomyślnego zaprojektowania styku włókno-żywica w celu przezwyciężenia niskiej energii powierzchniowej aramidu. Niezależnie od tego, czy chodzi o wyrafinowane metody stosowania prepregów o niskiej energii powierzchniowej z włókien aramidowych, czy też o obróbkę wstępną włókna przy użyciu technik obróbki powierzchni w celu uzyskania przyczepności żywicy z włókna aramidowego, niezbędna jest skrupulatna kontrola procesu i zastosowanie nauk o materiałach. Nabywcy B2B poszukujący komponentów o wysokiej niezawodności muszą współpracować z producentami posiadającymi wiedzę specjalistyczną i pełną kontrolę procesu, takimi jak Dongli, aby mieć pewność, że niska zawartość pustych przestrzeni przekłada się bezpośrednio na wysoką wytrzymałość mechaniczną i wyjątkową trwałość.

VII. Często zadawane pytania (FAQ)

P1: Dlaczego włókno aramidowe jest naturalnie odporne na zwilżanie żywicą?

• Odp.: Włókno aramidowe składa się z wysoce zorientowanych łańcuchów polimeru aromatycznego, które są chemicznie obojętne i pozbawione aktywnych grup funkcyjnych na powierzchni. Skutkuje to naturalnie niską energią powierzchniową, co powoduje, że żywice o wysokim napięciu powierzchniowym zbrylają się (wysoki kąt zwilżania), zamiast skutecznie się rozprowadzać i penetrować.

P2: Jaka jest najczęstsza wada spowodowana słabym zwilżeniem żywicy w tkaninie węglowo-aramidowej?

• Odp.: Najczęstszą wadą jest duża zawartość pustych przestrzeni (porowatość). Niezwilżone wiązki włókien zatrzymują pęcherzyki powietrza podczas procesu utwardzania, a te puste przestrzenie działają jak krytyczne koncentratory naprężeń, w szczególności osłabiając międzywarstwową wytrzymałość na ścinanie (ILSS) wpływu zawartości pustych przestrzeni w hybrydowym kompozycie węglowo-aramidowym.

P3: Co jest bardziej skuteczne w rozwiązaniu problemu niskiej energii powierzchniowej: obróbka powierzchni włókien czy zmniejszenie lepkości żywicy?

• Odp.: Obróbka powierzchniowa włókna (np. plazmowa lub chemiczna) jest zasadniczo bardziej skuteczna, ponieważ chemicznie zmienia energię powierzchniową włókna, promując faktyczne wiązanie chemiczne. Zmniejszenie lepkości żywicy, jedna z metod poprawy zwilżania żywicy tkaniny aramidowo-węglowej, pomaga mechanicznie, ale nie poprawia przyczepności chemicznej na styku.

P4: Jak słabe zwilżanie wpływa na odporność na uderzenia, która jest kluczową zaletą włókna aramidowego?

• Odp.: Słabe zwilżenie izoluje włókna aramidowe od nośnej matrycy żywicy. Podczas uderzenia energia nie może zostać skutecznie przeniesiona z matrycy na włókna aramidowe o wysokiej wytrzymałości, co uniemożliwia wchłanianie energii przez włókna i zapobiega rozprzestrzenianiu się pęknięć, pogarszając w ten sposób ogólną odporność kompozytu na uderzenia.

P5: Dlaczego producenci potrzebują specjalistycznych środowisk (takich jak strefy oczyszczania o czystości 100 000) do przetwarzania tkaniny aramidowo-węglowej?

• Odp.: Precyzyjne środowiska są kluczowe, ponieważ zanieczyszczenia powierzchniowe (takie jak kurz, olej lub wilgoć) mogą drastycznie zmniejszyć i tak już niską energię powierzchniową włókna, prowadząc do jeszcze gorszego zwilżenia żywicy. Pomieszczenia czyste zapewniają przetwarzanie materiału w optymalnych, wolnych od zanieczyszczeń warunkach, aby zmaksymalizować potencjał wybranego rozwiązania prepregu z włókna aramidowego o niskiej energii powierzchniowej.