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纳米技术解决了聚合物行业所面临的取舍问题
http://cn.newmaker.com 11/13/2017 10:31:00 PM  佳工机电网
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复合材料/胶粘剂展厅
阻尼材料, 环氧树脂, 密封胶, 硅胶, 厌氧胶, ...
碳纤维比铝强70%。那么,航空工业为什么没用碳纤维来替代铝呢?这是因为碳纤维复合材料的疲劳或微裂纹会导致零件的突然失效。因此,提高复合材料的疲劳性能是制造商们一直努力研究的前沿方向。

2016年12月,德国的汉堡技术大学(TUHH)聚合物和复合材料研究院报告了往碳纤维增强复合材料(CFRP)中加入重量百分比为0.01和0.05的单壁碳纳米管的测试结果。他们关于改善疲劳性能和纳米管利用简易性的显著发现为复合材料产品的新进展奠定了基础。具有增强性能特征的新型聚合物的诱人前景目前正在涌现。

断裂性能改进了的纳米复合材料

采用单向碳纤维来评估改性复合材料断裂性能的改善情况。基于单壁碳纳米管的优点和优异特性,开发了一种玻璃化转变温度为120℃(120℃-TG)的工业预浸料,该预浸料包含了三菱公司(Mitsubishi)型号为Grafil 34-700的碳纤维。

为了易于使用和安全处理,通过工业上可用的色母粒对热熔融环氧树脂预浸料系统进行改性处理,该色母粒含有由OCSiAl公司制造的、重量百分比为1的TUBALLTM单壁碳纳米管。“利用TUBALL改性的树脂灌注的导热玻璃纤维增强聚合物没有任何限制,实在令人惊讶。此外,这些玻璃纤维增强聚合物保留了其特定的颜色——这是一个伟大的经验。”TUHH项目负责人Daniel von Bernstorff评论道。

纯的和改性的碳纤维增强复合材料(CFRP)受到典型的冲击能量为28.3焦耳的冲击,在这种材料的正常使用条件下很容易发生。然后通过超声波C扫描来确定冲击面积和损伤深度。图1给出了三种代表性缺陷回波图像典型的损伤区域和形状:纯的、重量百分比0.01和0.05的改性CFRP预浸料样品。


图1 冲击试样的超声C 扫描(缺陷回波),用于分层区域测定:纯的(左),重量百分比0.01(中)和0.05(右)的。

超声C扫描结果表明,纯样品的平均分层面积为3940±470 mm2,而用0.05(重量百分比)的纳米管改性的样品平均分层面积为3180±130 mm2。与纯树脂相比,分层面积显著减少了19.3%(见图2)。


图2 受到28.3 焦耳冲击损伤后纯的和单壁碳纳米管改性CFRP 分层面积的对比。

此外,冲击试验后紧接着的压缩与飞机的应用非常相关。后续压缩表明用0.05重量百分比的纳米管改性的材料具有使冲击强度后的压缩程度增加约5%的潜力(见图3)。未来在优化这些材料方面的发展预计会有更大的改进。


图3,纯的和单壁碳纳米管改性CFRP 在冲击后的压缩强度对比

OCSiAl公司粘合剂和复合材料的开发支持负责人Jens Schneider评论说:“各知名机构所进行的测试都是非常重要的,而且他们已经对单壁碳纳米管的性能进行了独立的验证,并有许多可能的应用。我们以前对复合材料的增强进行了一些内部测试。通过填充0.15(重量百分比)的TUBALL,我们能将GFRP(玻璃纤维增强塑料,俗称玻璃钢)的短梁剪切强度提高48%。此外,我们还对SMC、BMC和拉挤成型件进行了测试,使这些复合材料具有导电性。这也可以用非常低的浓度的单壁碳纳米管来实现”(见图4)。


图4,TUBALL 单壁碳纳米管增强了的聚合物基复合材料短梁剪切强度

清除工业化利用道路上的障碍

自他们这一发现的25年来,单壁碳纳米管在其特殊特性方面优于其他纳米颗粒。 它们的导电和导热系数比铜高几倍,但却轻了5倍。这些纳米管还具有优异的耐热和耐化学性,并且具有比钢大100倍的强度。还应当提及的是,当嵌入到材料基体中时,纳米管独特的性质可以传递给另一种化合物,使得添加剂可以在低的负载下改善材料性质。

“TUHH长期以来对所有类型碳基纳米材料(包括单壁碳纳米管及其应用)的力学和电学性能进行了鉴定。大约25年前,当碳纳米管出现时,TUHH是第一批意识到这些材料潜力的科研机构之一。今天,这些材料仍然有新的结果。”Bernstorff先生评论道。

然而,使用单壁碳纳米管的下一代材料的规模使用和快速发展所面临的主要挑战就是大规模生产技术的缺乏,造成了价格高昂,相应地也导致应用领域有限。 三年前,OCSiAl公司推出了一种能克服这些局限性的生产技术,而且能够使公司以比类似物低75倍的价格供应高品质的单壁碳纳米管。

此外,OCSiAl公司还能够解决另一个关键的问题。“纳米材料一般都存在这样的问题,即它们必须非常好地分散在材料的基体中才得以获得良好的性能。这种分散通常是非常困难的,并且通过在实验室或生产设备中所能见到的标准设备是不可能实现的。我们已经设法开发出了一种称为TUBALL MATRIX的超精纯系列产品,其中单壁碳纳米管预分散得非常好。最大的优点在于,使用这些超浓缩物,基体材料的分散性比较容易实现,并且使用标准设备相当可行。再者,超级浓缩物的载体介质与复合材料工业中使用的许多基体材料相一致。”Jens Schneider说到。

专家们认为,这些最近在纳米技术方面的成就已经在为材料带来革命性改变了。“由于提高最终材料性能所需的浓度非常低,与其他碳纳米材料相比,TUBALL纳米管真的是与众不同。甚至树脂灌注方法与纳米管改性的液体聚合物在一起配合得相当好。”Bernstorff先生说。

高性能纳米增强材料的出现

单壁碳纳米管优异的长径比高达5000,即使浓度从低至重量百分比为0.01开始,也使得它们能够在材料基质中形成均匀的3D网络。这些低负载促使电导率和力学性能得到了改善,但不会影响材料的原始颜色或其他的重要特性。

欧洲和亚洲领先的化学巨头如朗盛莱茵化学(LANXESS Rhein Chemie)公司、BüFa复合材料公司和DUKSAN公司已经注意到了材料技术的这个转折点。利用单壁碳纳米管的技术和商业利益之间良好的关联性,他们已经开始制造用于广泛应用的纳米管基浓缩物。

通过去除弹性体、热塑性塑料、热固性材料、涂料、涂层和储能材料中现有的平衡关系,单壁碳纳米管能够增加导电性,增强力学和二次性能。

Bernstorff先生在分享他对未来的愿景时表示:“从我们的角度来看,TUBALL纳米管由于其出色的性价比,在聚合物应用广泛的电导率领域提供了有趣的应用。电导率、改进的力学性能和工业可用性的结合使得这些纳米管成为非常有前景的材料。”

到目前为止,OCSiAl是欧洲唯一一家被允许以工业化规模生产和营销单壁碳纳米管的公司。2016年9月,其核心产品TUBALLTM单壁碳纳米管成为第一个通过欧盟化学品注册、评估、授权和限制法规(REACH)的该类产品,OCSiAl此举在世界范围内率先提高了单壁碳纳米管管理的透明度,推动了单壁碳纳米管多行业应用的发展进程。

OCSiAl将在卢森堡建设年产能为250吨的单壁碳纳米管生产设施。除了生产设施,OCSiAl还将建立纳米技术应用中心,运用最尖端的纳米技术成果,致力于研究复合材料、弹性体和热塑性材料的工业解决方案。

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