Bei der Herstellung thermoplastischer Kohlenstofffasern werden in der Industrie üblicherweise diese vier Schlichtemittel verwendet.
Bei der Herstellung thermoplastischer Kohlefaser-Verbundwerkstoffe muss die Frage der Grenzflächenbindungsfestigkeit zwischen der Kohlefaser und dem thermoplastischen Harz geklärt werden, um eine bessere Infiltration und Bindungswirkung in nachfolgenden Prozessen zu gewährleisten. Eine wichtige Rolle spielen dabei Schlichtemittel. Allerdings besitzen unterschiedliche thermoplastische Matrixmaterialien unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften, sodass Experimente erforderlich sind, um verschiedene Arten von Schlichtemitteln zu identifizieren, die den spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht werden.
Um die Kompatibilität von Schlichtemitteln mit Verbundwerkstoffen auf der Basis thermoplastischer Harze zu verbessern, hat die Industrie umfangreiche Forschungen zu verschiedenen neuartigen Schlichtemitteln für unterschiedliche thermoplastische Harze durchgeführt, mit dem Ziel, eine große strukturelle Ähnlichkeit und starke Wechselwirkungen zwischen den Schlichtemitteln und den thermoplastischen Harzen zu erreichen . Nach zahlreichen Versuchen und vergleichenden Datenauswertungen wurde festgestellt, dass die folgenden vier Schlichtemittel besonders geeignet sind: Polyamid (PA), Polyurethan (PU), Polyarylether und Polyimid (PI).
1. Schlichtemittel aus Polyamid (PA).
Polyamid (PA), auch Nylon genannt, verfügt über eine hervorragende chemische Stabilität, Verschleißfestigkeit und mechanische Eigenschaften. Es wird häufig in Spezialfasern, technischen Kunststoffen und Verbundmatrixharzen auf Basis thermoplastischer Harze verwendet. Da PA in großem Umfang als Matrixharz für Verbundwerkstoffe auf thermoplastischer Harzbasis verwendet wird, kann die Auswahl von PA als Bestandteil des Schlichtemittels die Grenzflächenkompatibilität von Verbundwerkstoffen auf thermoplastischer Harzbasis verbessern.
Ein lösungsmittelbasiertes Schlichtemittel wurde hergestellt, indem modifiziertes PA in Polyolen gelöst und auf entschlichtete T300-Kohlenstofffasern aufgetragen wurde. Dies führte zur Herstellung von CF/PA66-Verbundwerkstoffen. Die gute Kompatibilität zwischen dem Schlichtemittel und dem Nylon-66-Matrixharz führte zu einem synergistischen Effekt der chemischen Bindung und physikalischen Adsorption, wodurch die Zugfestigkeit und Schlagzähigkeit der Verbundwerkstoffe erfolgreich um 40,87 % bzw. 43,59 % verbessert wurden.
Allerdings erfordert diese Methode eine erhebliche Menge an organischen Lösungsmitteln, was eine ernsthafte Gefahr für die Umwelt- und Produktionssicherheit darstellt, und der Energieverbrauch für die Trocknung der Lösungsmittel ist beträchtlich. Daher verlagert sich der Schwerpunkt der PA-Leimungsmittelforschung schrittweise hin zu umweltfreundlicheren wasserbasierten Leimungsmittelsystemen. Derzeit sind die Herstellung stabiler dispergierter PA-Emulsionen unter Verwendung von Tensiden und die Herstellung wässriger PA-Leimungsmittel durch hydrophile Modifikation ausgereiftere Ansätze.
2. Schlichtemittel aus Polyurethan (PU).
Aufgrund seiner einzigartigen chemischen Struktur weist Polyurethan (PU) eine gute Kompatibilität und Bindungsstärke mit verschiedenen thermoplastischen Harzen auf und ist daher als Schlichtemittel weit verbreitet. Durch die Nutzung der Ähnlichkeiten und Kompatibilitäten zwischen den Urethan- und Carbonatstrukturen kann PU als Schlichtemittel zum Schlichten der Fasern in Verbundwerkstoffen aus Kohlefaser (CF) und thermoplastischem Polycarbonat (PC) mithilfe eines Lösungsmittelverfahrens verwendet werden.
Die thermische Stabilität des Polyurethan (PU)-Leimungsmittels ist ausgezeichnet; Erst bei Temperaturen bis zu 270 Grad beginnt es abzunehmen. Dies ermöglicht eine chemische Bindung mit den Carbonatstrukturen in der Polycarbonat (PC)-Matrix, was zu einer Erhöhung der interlaminaren Scherfestigkeit der Verbundwerkstoffe von 38,1 MPa auf 62,9 MPa führt, was einer Verbesserung um 65 % entspricht.
Mit der zunehmenden Bedeutung von Umweltaspekten werden jedoch lösungsmittelbasierte PU-Leimungsmittel nach und nach durch wasserbasierte Leimungsmittelsysteme ersetzt. Die Emulsionsdispersion ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Herstellung wasserbasierter PU-Leimungsmittel. Wasserbasierte Emulsions-PU-Leimungsmittel können unter Trocknungsbedingungen bei normaler Temperatur bis zu sechs Monate gelagert werden, wobei die Hitzebeständigkeit 280–300 Grad erreicht, was die interlaminare Scherfestigkeit von CF/PA66-Verbundwerkstoffen auf über 78 MPa erhöhen kann, was einen höheren Wert demonstriert deutliche Verbesserung.
Polyarylether-Leimungsmittel
Polyarylether sind Polymere, die aromatische Ringe und Etherbindungen enthalten. Bekannte Beispiele sind Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) und Polyethersulfon (PES). Die starren Benzolringe und flexiblen Etherbindungen verleihen diesen Materialien hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften und ermöglichen gleichzeitig, dass einige Systeme kristallin sind, was einen kontinuierlichen Einsatz unter hohen Temperaturen und feuchten Bedingungen ermöglicht. Sie werden häufig als technische Hochleistungskunststoffe und thermoplastische Harze in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Energie und Medizin eingesetzt.
Die starre und stabile Struktur von Polyarylethern bietet zwar viele Vorteile, erschwert jedoch auch die Reaktion mit anderen aktiven Gruppen, was zu einer schwachen Grenzflächenbindung mit Kohlenstofffasern (CF) führt. Daher ist die Modifizierung von Polyarylethersystemen und die Herstellung von Leimungsmitteln zur Verbesserung ihrer Bindungsstärke mit CF- und thermoplastischen Matrizen zu einem vorrangigen Problem geworden, das angegangen werden muss. Die Behandlung mit starker Säure ist eine wirksame Methode zur Einführung aktiver Gruppen in Polyarylethermoleküle.
Mithilfe einer Sulfonierungsbehandlung wurden Natriumsulfonatstrukturen (−SO3Na) in das PEEK-System eingeführt, um ein Leimungsmittel herzustellen. Die Sulfongruppen können Wasserstoffbrückenbindungen mit den Gruppen auf der Faseroberfläche bilden, und das Schlichtemittel ist mit der PEEK-Matrix kompatibel, was die Benetzung und Infiltration des Matrixharzes in das CF erleichtert. Die interlaminare Scherfestigkeit des Verbundmaterials erreichte 78,2 MPa.
Darüber hinaus wurde ein lösungsmittelbasiertes Hybrid-Leimungsmittel hergestellt, indem Graphenoxid (GO) mit einer Diaminstruktur ähnlich der von Polyethersulfon (PES) modifiziert wurde, was nicht nur aktive Aminogruppen einführte, sondern auch die thermische Stabilität des Systems verbesserte. Durch verschiedene Wechselwirkungen wie chemische Bindung, Wasserstoffbrückenbindung, polare Anziehung, Van-der-Waals-Kräfte und mechanische Verzahnung kann eine starke Bindung zwischen dem Leimungsmittel, GO, CF und der PES-Matrix erreicht werden, was zu einer Verbesserung der Grenzflächeneigenschaften um 74,1 % führt der CF/PES-Verbundwerkstoffe.
4.Polyimid (PI)-Leimungsmittel
Polyimide (PI) sind Hochleistungspolymere, die Imidringe in ihrem Molekülrückgrat enthalten. Sie verfügen über eine äußerst steife Kettenstruktur und hervorragende mechanische Eigenschaften, was sie zu einem der Polymermaterialien mit der höchsten Temperaturbeständigkeit macht. PIs finden weitverbreitete Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der militärischen Ausrüstung, der elektronischen Kommunikation und anderen Bereichen. Unter diesen haben Polyetherimid-Leimungsmittel (PEI), die flexible Etherbindungen enthalten, in den letzten Jahren aufgrund ihrer außergewöhnlichen thermischen Stabilität, verbesserten Flexibilität, besseren Löslichkeit und Kompatibilität mit thermoplastischen Harzen als Hochtemperatur-Leimungsmittel große Aufmerksamkeit erlangt.
PI-Schlichtemittel halten hohen Temperaturen stand und erfüllen die Form- und Verwendungsbedingungen für Hochleistungsverbundwerkstoffe auf der Basis thermoplastischer Harze (z. B. CF/PES- und CF/PEEK-Verbundwerkstoffe). Ähnlich wie bei Polyarylether-Leimungsmitteln führt die starre und stabile Molekularstruktur von PI-Leimungsmitteln jedoch zu einer geringen Bindungsfähigkeit mit Kohlenstofffasern (CF) und einer schlechten Verarbeitbarkeit, was eine chemische Modifikation erforderlich macht.
Die Modifizierung des PI-Leimungsmittels wurde mithilfe von Nanopartikeln durch Dispergieren von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) in einer Dichlormethanlösung von PEI durchgeführt. Mit einem Lösungsmittelverfahren wurde die Oberfläche von CF-Gewebe der Güteklasse T300 behandelt. Untersuchungen ergaben, dass MWCNT im gemischten Schlichtemittel effektiv eine große Anzahl aktiver Gruppen einführte und die Faseroberfläche gleichmäßig bedecken konnte. Nach der Größenbestimmung konnten die Imidringe in PEI polare Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen mit Hydroxyl- und Carboxylgruppen auf der MWCNT-Oberfläche bilden, während zwischen den aromatischen Ringen des MWCNT und dem PEEK-Matrixharz π-π-Stapelwechselwirkungen auftraten. Durch diese Modifikation wurde die Rissausbreitung erheblich gehemmt, was letztendlich zu einer interlaminaren Scherfestigkeit des Verbundmaterials von 90,7 MPa führte.
Streng genommen stellen Polyamid (PA), Polyurethan (PU), Polyarylether und Polyimid (PI) vier Kategorien von Schlichtemitteln dar, die jeweils auf unterschiedliche Arten thermoplastischer Harze zugeschnitten sind. Diese Schlichtemittelsysteme werden im Laufe des Einsatzes typischerweise verschiedenen Modifikationen unterzogen, um die Leistungseigenschaften thermoplastischer Kohlefaserverbundwerkstoffe effektiv zu verbessern. Darüber hinaus muss unbedingt berücksichtigt werden, ob die experimentellen Prozesse möglicherweise erhebliche negative Auswirkungen auf die Umwelt haben. Um optimale Lösungen zu finden, sind zahlreiche Experten und Wissenschaftler im In- und Ausland bestrebt, die am besten geeigneten Ansätze zu identifizieren.
