Los polímeros reforzados con fibras de carbono combinan resistencia y poco peso. También cuentan con importantes credenciales ecológicas, ya que consumen menos recursos durante la producción y el uso. y se reciclan fácilmente. Si bien las propiedades mecánicas de los laminados de fibra continua son suficientemente competitivas para aplicaciones aeroespaciales y automotrices, los compuestos reforzados con fibras cortas de carbono podrían resultar atractivos para una fabricación rápida, e incluso impresión 3D para aplicaciones con requisitos de resistencia más moderados. Como resultado, Existe un gran interés en optimizar las propiedades mecánicas de los termoplásticos reforzados con fibras cortas para maximizar el potencial de estos materiales. László Szabó y Kenji Takahashi y sus colegas de la Universidad de Kanazawa y el Instituto de Tecnología de Kanazawa han demostrado ahora que la irradiación de termoplásticos de fibra de carbono corta con un haz de electrones puede mejorar sus propiedades mecánicas.

Los investigadores limitaron su estudio a los polímeros para que el compuesto resultante pudiera reciclarse y moldearse fácilmente en otras formas. Teniendo en cuenta las preocupaciones ecológicas, centraron el estudio en el propionato de celulosa de base biológica para la matriz compuesta. Su estudio incluyó la investigación de los efectos de la irradiación con haz de electrones sobre la resistencia de los polímeros funcionalizados con ésteres para aumentar la reticulación. y mejorado con fibras de carbono, así como diferentes formas durante la irradiación (mancuernas y pellets) y boquillas de extrusión largas y cortas.

Si bien los investigadores pudieron demostrar un nivel de control sobre la reticulación bajo radiación con el uso de ésteres funcionalizantes, esto no siempre fue beneficioso para las propiedades mecánicas, particularmente cuando la red de polímeros obstaculiza la movilidad de las fibras. Además, se sabe que hay una longitud mínima de fibra de carbono por debajo de la cual su inclusión compromete en lugar de mejorar la resistencia a la tracción del material compuesto ya que su presencia provoca grietas.

A pesar de los posibles inconvenientes de la inclusión de fibra de carbono y la reticulación inducida por irradiación, Los investigadores encontraron que irradiar gránulos de compuesto de fibra de carbono corta los hacía más fuertes. Otros estudios sugirieron que la irradiación fortalecía y alargaba las fibras de carbono, mientras se irradiaba gránulos y se fabricaban pesas con los gránulos, se dejaba suficiente matriz de polímero no reticulado para que la fibra de carbono tuviera cierta movilidad para mitigar las tensiones. La boquilla más corta, también disminuyeron los efectos que acortan la fibra de carbono durante la extrusión.

"El compuesto conserva su potencial de reciclabilidad (es decir, aún termoplástico) y el tratamiento es prácticamente libre de químicos, ", informan los investigadores. El trabajo futuro puede incluir una mayor caracterización mecánica del material.

Fondo

Beneficios medioambientales de los termoplásticos reforzados con carbono

Los materiales de menor masa requieren menos combustible para moverlos, de modo que la explotación de las propiedades de peso ligero de los termoplásticos en aplicaciones de automóviles podría reducir los requisitos de combustible. Además, Los termoplásticos se pueden procesar fácilmente a partir de componentes en gran parte benignos, lo que los hace más fáciles de reciclar.

La obtención de fibras de carbono también es cada vez más sostenible, con informes de fibras de carbono producidas a partir de lignina en biomasa. Como resultado, el uso de fibras de carbono para mejorar las propiedades mecánicas de los polímeros termoplásticos podría proporcionar una opción de material ecológico para aplicaciones en las que las tensiones mecánicas y las tensiones experimentadas son moderadas.

Irradiación y reticulación

La irradiación produce efectos tanto de escisión de la cadena como de reticulación en los polímeros. En el propionato de celulosa, la escisión de la cadena supera con creces la reticulación. Si bien la funcionalización con ésteres podría mejorar la reticulación bajo irradiación, los investigadores encontraron que esto en realidad disminuía la resistencia a la tracción a medida que el polímero se volvía más rígido.

La adición de fibras de carbono puede proporcionar sitios que inicien grietas. Si las fibras de carbono son lo suficientemente largas, el efecto general sigue siendo un material más fuerte, pero para las fibras de carbono cortas, su inclusión en realidad puede debilitar el compuesto. Además, la reticulación en la matriz del polímero puede inhibir la movilidad de la fibra, para que el estrés se acumule.

Los investigadores también encontraron que la extrusión puede acortar aún más las fibras de carbono, un efecto que una boquilla de extrusión más corta puede ayudar a mitigar. La irradiación tiene un efecto positivo en la resistencia y longitud de la fibra de carbono al formar radicales libres que forman enlaces covalentes entre planos en la estructura de la fibra grafítica. Como resultado, la producción de mancuernas a partir de gránulos de polímeros mejorados con fibra de carbono irradiados mejoró las propiedades mecánicas del material; la irradiación condujo a fibras de carbono más fuertes y más largas, y hacer las mancuernas a partir de gránulos irradiados condujo a una matriz no reticulada de los diferentes gránulos para permitir el movimiento de las fibras.