Dans la préparation de la fibre de carbone thermoplastique, l'industrie utilise couramment ces quatre agents d'encollage.
Lors de la préparation de composites thermoplastiques en fibre de carbone, il est nécessaire de résoudre le problème de la force de liaison interfaciale entre la fibre de carbone et la résine thermoplastique afin d'assurer une meilleure infiltration et un meilleur effet de liaison dans les processus ultérieurs. Les agents d'encollage jouent un rôle important à cet égard. Cependant, différents matériaux de matrice thermoplastique possèdent des propriétés physiques et chimiques variables. Des expériences sont donc nécessaires pour identifier différents types d'agents d'encollage répondant aux exigences d'utilisation spécifiques.
Afin d'améliorer la compatibilité des agents d'encollage avec les composites à base de résine thermoplastique, l'industrie a mené des recherches approfondies sur divers nouveaux agents d'encollage pour différentes résines thermoplastiques, dans le but d'obtenir une ressemblance structurelle étroite et de fortes interactions entre les agents d'encollage et les résines thermoplastiques. . Après de nombreuses expériences et évaluations comparatives de données, il s'est avéré que les quatre agents d'encollage suivants sont particulièrement adaptés : le polyamide (PA), le polyuréthane (PU), le polyaryléther et le polyimide (PI).
1. Agent d'encollage en polyamide (PA)
Le polyamide (PA), également connu sous le nom de nylon, possède une excellente stabilité chimique, une excellente résistance à l'usure et des propriétés mécaniques. Il est couramment utilisé dans les fibres spéciales, les plastiques techniques et les résines matricielles composites à base de résine thermoplastique. Comme le PA a été largement utilisé comme résine matricielle pour les composites à base de résine thermoplastique, la sélection du PA comme composant de l'agent d'encollage peut améliorer la compatibilité interfaciale des composites à base de résine thermoplastique.
Un agent d'encollage à base de solvant a été préparé en dissolvant du PA modifié dans des polyols et en l'appliquant sur de la fibre de carbone T300 désencollée. Cela a conduit à la fabrication de composites CF/PA66. La bonne compatibilité entre l'agent d'encollage et la résine matricielle en nylon 66 a entraîné un effet synergique de liaison chimique et d'adsorption physique, améliorant avec succès la résistance à la traction et la résistance aux chocs des composites de 40,87 % et 43,59 %, respectivement.
Cependant, cette méthode nécessite une quantité importante de solvants organiques, ce qui présente de sérieuses menaces pour la sécurité environnementale et de production, et la consommation d'énergie pour le séchage des solvants est considérable. Par conséquent, la recherche sur les agents d’encollage PA se déplace progressivement vers des systèmes d’agents d’encollage à base d’eau plus respectueux de l’environnement. Actuellement, l’obtention d’émulsions de PA dispersées stables à l’aide de tensioactifs et la préparation d’agents d’encollage aqueux de PA par modification hydrophile sont des approches plus matures.
2. Agent d'encollage en polyuréthane (PU)
Le polyuréthane (PU) présente une bonne compatibilité et une bonne force de liaison avec diverses résines thermoplastiques en raison de sa structure chimique unique, ce qui le rend largement applicable comme agent d'encollage. En tirant parti des similitudes et des compatibilités entre les structures d'uréthane et de carbonate, le PU peut être utilisé comme agent d'encollage pour l'encollage des fibres dans les composites de fibre de carbone (CF)/polycarbonate thermoplastique (PC) via une méthode de solvant.
La stabilité thermique de l'agent d'encollage polyuréthane (PU) est excellente ; il ne commence à perdre du poids qu'à des températures allant jusqu'à 270 degrés. Cela permet une liaison chimique avec les structures carbonatées de la matrice de polycarbonate (PC), ce qui entraîne une augmentation de la résistance au cisaillement interlaminaire des composites de 38,1 MPa à 62,9 MPa, ce qui représente une amélioration de 65 %.
Cependant, avec l'importance croissante accordée aux questions environnementales, les agents d'encollage PU à base de solvants sont progressivement remplacés par des systèmes d'encollages à base d'eau. La dispersion en émulsion est l’une des méthodes couramment utilisées pour préparer des agents d’encollage PU à base d’eau. Les agents d'encollage PU en émulsion à base d'eau peuvent être stockés jusqu'à six mois dans des conditions normales de séchage à température, avec une résistance à la chaleur atteignant 280 à 300 degrés, ce qui peut élever la résistance au cisaillement interlaminaire des composites CF/PA66 à plus de 78 MPa, démontrant une plus grande résistance au cisaillement interlaminaire des composites CF/PA66. amélioration significative.
Agent d'encollage polyaryléther
Les polyaryléthers sont des polymères qui contiennent des cycles aromatiques et des liaisons éther. Des exemples bien connus incluent le polyéther éther cétone (PEEK), le sulfure de polyphénylène (PPS) et le polyéthersulfone (PES). Les anneaux benzéniques rigides et les liaisons éther flexibles confèrent à ces matériaux d'excellentes propriétés mécaniques et thermiques, tout en permettant également à certains systèmes d'être cristallins, permettant une utilisation continue dans des conditions de température et d'humidité élevées. Ils sont largement utilisés comme plastiques techniques de haute performance et résines thermoplastiques dans les domaines de l'aérospatiale, de l'électronique, de l'énergie et de la médecine.
Cependant, la structure rigide et stable des polyaryléthers, tout en offrant de nombreux avantages, rend également difficile leur réaction avec d'autres groupes actifs, conduisant à une faible liaison interfaciale avec les fibres de carbone (CF). Par conséquent, la modification des systèmes polyaryléther et la préparation d’agents d’encollage pour améliorer leur force de liaison avec les matrices CF et thermoplastiques sont devenues un problème prioritaire à résoudre. Le traitement aux acides forts est une méthode efficace pour introduire des groupes actifs dans les molécules de polyaryléther.
En utilisant un traitement de sulfonation, des structures de sulfonate de sodium (-SO3Na) ont été introduites dans le système PEEK pour préparer un agent d'encollage. Les groupes sulfoniques peuvent former des liaisons hydrogène avec les groupes à la surface des fibres, et l'agent d'encollage est compatible avec la matrice PEEK, facilitant le mouillage et l'infiltration de la résine matricielle dans le CF. La résistance au cisaillement interlaminaire du matériau composite atteint 78,2 MPa.
De plus, un agent d'encollage hybride à base de solvant a été préparé en modifiant l'oxyde de graphène (GO) avec une structure diamine similaire à celle du polyéthersulfone (PES), ce qui a non seulement introduit des groupes aminés actifs, mais a également amélioré la stabilité thermique du système. Diverses interactions telles que la liaison chimique, la liaison hydrogène, l'attraction polaire, les forces de Van der Waals et le verrouillage mécanique peuvent permettre d'obtenir une liaison solide entre l'agent d'encollage GO, CF et la matrice PES, entraînant une amélioration de 74,1 % des propriétés interfaciales. des composites CF/PES.
4. Agent d'encollage polyimide (PI)
Les polyimides (PI) sont des polymères hautes performances qui contiennent des cycles imide dans leur squelette moléculaire. Ils possèdent une structure de chaîne très rigide et d’excellentes propriétés mécaniques, ce qui en fait l’un des matériaux polymères les plus résistants aux températures. Les IP ont trouvé des applications généralisées dans l’aérospatiale, les équipements militaires, les communications électroniques et d’autres domaines. Parmi ceux-ci, les agents d'encollage polyéther imide (PEI), qui contiennent des liaisons éther flexibles, ont attiré une attention considérable ces dernières années en tant qu'agents d'encollage à haute température en raison de leur stabilité thermique exceptionnelle, de leur flexibilité améliorée, de leur meilleure solubilité et de leur compatibilité avec les résines thermoplastiques.
Les agents d'encollage PI peuvent résister à des températures élevées, répondant aux conditions de moulage et d'utilisation des composites à base de résine thermoplastique haute performance (tels que les composites CF/PES et CF/PEEK). Cependant, à l'instar des agents d'encollage polyaryléther, la structure moléculaire rigide et stable des agents d'encollage PI entraîne une faible capacité de liaison avec les fibres de carbone (CF) et une mauvaise aptitude au traitement, nécessitant une modification chimique.
La modification de l'agent d'encollage PI a été réalisée à l'aide de nanoparticules en dispersant des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) dans une solution de dichlorométhane de PEI. À l’aide d’une méthode au solvant, la surface du tissu CF de qualité T300 a été traitée. La recherche a révélé que les MWCNT présents dans l'agent d'encollage mixte introduisaient efficacement un grand nombre de groupes actifs et pouvaient couvrir uniformément la surface des fibres. Après dimensionnement, les cycles imide du PEI pourraient former des interactions polaires et des liaisons hydrogène avec des groupes hydroxyle et carboxyle à la surface du MWCNT, tandis que des interactions d'empilement π-π se produisaient entre les cycles aromatiques du MWCNT et la résine matricielle PEEK. Cette modification a considérablement inhibé la propagation des fissures, aboutissant finalement à une résistance au cisaillement interlaminaire de 90,7 MPa pour le matériau composite.
À proprement parler, le polyamide (PA), le polyuréthane (PU), le polyaryléther et le polyimide (PI) représentent quatre catégories d'agents d'encollage, chacun étant adapté à différents types de résines thermoplastiques. Ces systèmes d'agents d'encollage subissent généralement diverses modifications au cours de leur utilisation pour améliorer efficacement les caractéristiques de performance des composites thermoplastiques à fibres de carbone. De plus, il est essentiel de déterminer si les processus expérimentaux peuvent avoir des impacts négatifs importants sur l'environnement. Pour trouver des solutions optimales, de nombreux experts et universitaires, tant au niveau national qu'international, s'efforcent d'identifier les approches les plus appropriées.
