I polimeri rinforzati con fibre di carbonio combinano resistenza e peso ridotto. Vantano anche significative credenziali ecologiche in quanto consumano meno risorse durante la produzione e l'uso, e sono facilmente riciclabili. Mentre le proprietà meccaniche dei laminati a fibra continua sono sufficientemente competitive per applicazioni nel settore aerospaziale e automobilistico, i compositi rinforzati con fibre corte di carbonio potrebbero essere attraenti per la produzione rapida, e persino la stampa 3D per applicazioni con requisiti di resistenza più moderati. Di conseguenza, c'è un vivo interesse nell'ottimizzazione delle proprietà meccaniche dei materiali termoplastici rinforzati con fibre corte per massimizzare il potenziale di questi materiali. László Szabó e Kenji Takahashi e colleghi della Kanazawa University e del Kanazawa Institute of Technology hanno ora dimostrato che l'irradiazione di materiali termoplastici a fibra di carbonio corta con un fascio di elettroni può migliorarne le proprietà meccaniche.

I ricercatori hanno limitato il loro studio ai polimeri in modo che il composito risultante potesse essere facilmente riciclato e rimodellato in altre forme. Tenendo a mente le preoccupazioni per l'ambiente, hanno concentrato lo studio sul propionato di cellulosa a base biologica per la matrice composita. Il loro studio includeva lo studio degli effetti dell'irradiazione del fascio di elettroni sulla forza dei polimeri funzionalizzati con esteri per aumentare la reticolazione, e arricchito con fibre di carbonio, così come diverse forme durante l'irradiazione (manubri e pellet) e ugelli di estrusione lunghi e corti.

Mentre i ricercatori sono stati in grado di dimostrare un livello di controllo sulla reticolazione sotto radiazione con l'uso di esteri funzionalizzanti, questo non era sempre vantaggioso per le proprietà meccaniche, in particolare quando la rete di polimeri ostacolava la mobilità delle fibre. Inoltre, è nota una lunghezza minima delle fibre di carbonio al di sotto della quale la loro inclusione compromette piuttosto che aumentare la resistenza alla trazione del composito in quanto la loro presenza provoca crepe.

Nonostante i potenziali inconvenienti dell'inclusione della fibra di carbonio e della reticolazione indotta dall'irradiazione, i ricercatori hanno scoperto che l'irradiazione di pellet di composito a fibra di carbonio corta li ha resi più forti. Ulteriori studi hanno suggerito che l'irradiazione ha rafforzato e allungato le fibre di carbonio, durante l'irradiazione dei pellet e la creazione di manubri dai pellet ha lasciato una matrice polimerica non reticolata sufficiente per una certa mobilità della fibra di carbonio per mitigare le sollecitazioni. L'ugello più corto, anche effetti ridotti che accorciano la fibra di carbonio durante l'estrusione.

"Il composito mantiene il suo potenziale di riciclabilità (cioè ancora termoplastico) e il trattamento è praticamente privo di sostanze chimiche, " riferiscono i ricercatori. Il lavoro futuro potrebbe includere un'ulteriore caratterizzazione meccanica del materiale.

Sfondo

Vantaggi ambientali dei materiali termoplastici rinforzati con carbonio

I materiali di massa inferiore richiedono meno carburante per spostarli, in modo che lo sfruttamento delle proprietà leggere dei materiali termoplastici nelle applicazioni automobilistiche possa ridurre il fabbisogno di carburante. Inoltre, i materiali termoplastici possono essere lavorati facilmente da componenti in gran parte benigni, rendendoli più facilmente riciclabili.

Anche ottenere fibre di carbonio sta diventando sempre più sostenibile, con segnalazioni di fibre di carbonio prodotte dalla lignina nella biomassa. Di conseguenza, l'uso di fibre di carbonio per migliorare le proprietà meccaniche dei polimeri termoplastici potrebbe fornire un'opzione materiale rispettosa dell'ambiente per applicazioni in cui le sollecitazioni e le sollecitazioni meccaniche sperimentate sono moderate.

Irradiazione e reticolazione

L'irradiazione porta alla scissione della catena e agli effetti di reticolazione nei polimeri. Nella catena di propionato di cellulosa la scissione supera di gran lunga la reticolazione. Mentre la funzionalizzazione con esteri potrebbe migliorare la reticolazione sotto irraggiamento, i ricercatori hanno scoperto che questo in realtà riduceva la resistenza alla trazione man mano che il polimero diventava più rigido.

L'aggiunta di fibre di carbonio può fornire siti che avviano crepe. Se le fibre di carbonio sono abbastanza lunghe, l'effetto complessivo è ancora un materiale più forte ma per le fibre di carbonio corte, la loro inclusione può effettivamente indebolire il composito. Inoltre la reticolazione nella matrice polimerica può inibire la mobilità delle fibre, in modo che lo stress si accumuli.

I ricercatori hanno anche scoperto che l'estrusione può accorciare ulteriormente le fibre di carbonio, un effetto che un ugello di estrusione più corto può aiutare a mitigare. L'irradiazione ha un effetto positivo sulla resistenza e sulla lunghezza della fibra di carbonio formando radicali liberi che formano legami covalenti tra i piani nella struttura della fibra grafitica. Di conseguenza, la produzione di manubri da pellet polimerici irradiati con fibra di carbonio ha migliorato le proprietà meccaniche del materiale; l'irradiazione ha portato a fibre di carbonio più lunghe e più forti, e realizzare i manubri da pellet irradiati ha portato a una matrice non reticolata dai diversi pellet per consentire il movimento delle fibre.