في تحضير ألياف الكربون البلاستيكية الحرارية، تستخدم الصناعة عادةً عوامل التحجيم الأربعة هذه.

من أجل تحسين توافق عوامل التحجيم مع المركبات القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية، أجرت الصناعة أبحاثًا مكثفة حول عوامل تحجيم جديدة مختلفة لراتنجات اللدائن الحرارية المختلفة، بهدف تحقيق تشابه هيكلي وثيق وتفاعلات قوية بين عوامل التحجيم وراتنجات اللدائن الحرارية. . بعد العديد من التجارب وتقييمات البيانات المقارنة، وجد أن عوامل التحجيم الأربعة التالية مناسبة بشكل خاص: مادة البولي أميد (PA)، والبولي يوريثين (PU)، والبولي أريل إيثر، والبوليميد (PI).

1. عامل تحجيم مادة البولي أميد (PA).

يتمتع مادة البولي أميد (PA)، المعروف أيضًا باسم النايلون، بثبات كيميائي ممتاز، ومقاومة للتآكل، وخصائص ميكانيكية. يتم استخدامه بشكل شائع في الألياف الخاصة واللدائن الهندسية والراتنجات المركبة القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية. نظرًا لأن PA قد تم استخدامه على نطاق واسع كراتنج مصفوفة للمركبات القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية، فإن اختيار PA كعنصر من عناصر عامل التحجيم يمكن أن يعزز التوافق البيني للمركبات القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية.

تم تحضير عامل تحجيم قائم على المذيبات عن طريق إذابة PA المعدلة في البوليولات وتطبيقه على ألياف الكربون T300 ذات الحجم الصغير. وأدى ذلك إلى تصنيع مركبات CF/PA66. أدى التوافق الجيد بين عامل التحجيم وراتنج مصفوفة النايلون 66 إلى تأثير تآزري للترابط الكيميائي والامتزاز الفيزيائي، مما أدى بنجاح إلى تحسين قوة الشد وقوة التأثير للمركبات بنسبة 40.87% و43.59% على التوالي.

ومع ذلك، تتطلب هذه الطريقة كمية كبيرة من المذيبات العضوية، مما يشكل تهديدات خطيرة للسلامة البيئية والإنتاجية، كما أن استهلاك الطاقة لتجفيف المذيبات كبير. ولذلك، فإن تركيز أبحاث عوامل التحجيم PA يتحول تدريجياً نحو أنظمة عوامل التحجيم المائية الأكثر صديقة للبيئة. حاليًا، يعد الحصول على مستحلبات PA المشتتة المستقرة باستخدام المواد الخافضة للتوتر السطحي وإعداد عوامل تحجيم مائية من خلال التعديل المحبب للماء من الأساليب الأكثر نضجًا.

2. عامل تحجيم البولي يوريثين (PU).

يُظهر البولي يوريثان (PU) توافقًا جيدًا وقوة ترابط مع العديد من راتنجات اللدائن الحرارية نظرًا لبنيته الكيميائية الفريدة، مما يجعله قابلاً للتطبيق على نطاق واسع كعامل تحجيم. من خلال الاستفادة من أوجه التشابه والتوافق بين هياكل اليوريتان والكربونات، يمكن استخدام PU كعامل تحجيم لتغيير حجم الألياف في ألياف الكربون (CF) / مركبات البولي كربونات البلاستيكية الحرارية (PC) من خلال طريقة المذيبات.

الاستقرار الحراري لعامل تحجيم البولي يوريثين (PU) ممتاز؛ ويبدأ فقدان الوزن فقط عند درجات حرارة تصل إلى 270 درجة. وهذا يسمح بالترابط الكيميائي مع هياكل الكربونات في مصفوفة البولي كربونات (PC)، مما يؤدي إلى زيادة في قوة القص بين الصفائح للمركبات من 38.1 ميجا باسكال إلى 62.9 ميجا باسكال، وهو ما يمثل تحسنًا بنسبة 65٪.

ومع ذلك، مع التركيز المتزايد على القضايا البيئية، يتم تدريجياً استبدال عوامل تحجيم البولي يوريثان القائمة على المذيبات بأنظمة عوامل التحجيم المعتمدة على الماء. يعد تشتيت المستحلب أحد الطرق الشائعة الاستخدام لتحضير عوامل تحجيم PU المعتمدة على الماء. يمكن تخزين عوامل تحجيم المستحلب المائي PU لمدة تصل إلى ستة أشهر في ظل ظروف تجفيف بدرجة حرارة عادية، مع مقاومة للحرارة تصل إلى 280-300 درجة، والتي يمكن أن ترفع قوة القص بين الصفائح لمركبات CF/PA66 إلى أكثر من 78 ميجا باسكال، مما يدل على أكثر تعزيز كبير.

وكيل التحجيم بولياريليثر

Polyarylethers عبارة عن بوليمرات تحتوي على حلقات عطرية وروابط أثيرية. تشمل الأمثلة المعروفة بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK)، وكبريتيد البولي فينيلين (PPS)، والبولي إيثر سلفون (PES). تمنح حلقات البنزين الصلبة وروابط الأثير المرنة هذه المواد خصائص ميكانيكية وحرارية ممتازة، بينما تسمح أيضًا لبعض الأنظمة بأن تكون بلورية، مما يتيح الاستخدام المستمر في ظل درجات الحرارة المرتفعة والظروف الرطبة. يتم استخدامها على نطاق واسع كمواد بلاستيكية هندسية عالية الأداء وراتنجات لدنة بالحرارة في مجال الطيران والإلكترونيات والطاقة والمجالات الطبية.

ومع ذلك، فإن البنية الصلبة والمستقرة للبولي أريليثرز، مع توفير العديد من المزايا، تجعل من الصعب عليها أيضًا التفاعل مع المجموعات النشطة الأخرى، مما يؤدي إلى ضعف الترابط البيني مع ألياف الكربون (CF). لذلك، أصبح تعديل أنظمة البولي أريل إيثر وإعداد عوامل التحجيم لتعزيز قوة الترابط مع CF والمصفوفات البلاستيكية الحرارية مشكلة ذات أولوية يجب معالجتها. تعد المعالجة بالأحماض القوية طريقة فعالة لإدخال المجموعات النشطة في جزيئات بولي أريل إيثر.

من خلال استخدام معالجة السلفنة، تم إدخال هياكل سلفونات الصوديوم (−SO3Na) في نظام نظرة خاطفة لإعداد عامل التحجيم. يمكن للمجموعات السلفونية أن تشكل روابط هيدروجينية مع المجموعات الموجودة على سطح الألياف، ويكون عامل التحجيم متوافقًا مع مصفوفة PEEK، مما يسهل ترطيب وتسلل راتينج المصفوفة إلى CF. بلغت قوة القص بين الصفائح للمادة المركبة 78.2 ميجا باسكال.

بالإضافة إلى ذلك، تم تحضير عامل تحجيم هجين قائم على المذيبات عن طريق تعديل أكسيد الجرافين (GO) ببنية ديامين مماثلة لتلك الخاصة بالبولي إيثرسولفون (PES)، والتي لم تقدم مجموعات أمينية نشطة فحسب، بل حسنت أيضًا الاستقرار الحراري للنظام. يمكن للتفاعلات المختلفة مثل الروابط الكيميائية، والروابط الهيدروجينية، والجذب القطبي، وقوى فان دير فالس، والتشابك الميكانيكي أن تحقق رابطة قوية بين عامل التحجيم، وGO، وCF، ومصفوفة PES، مما يؤدي إلى تحسين بنسبة 74.1% في خصائص الواجهة البينية. من مركبات CF/PES.

4. عامل التحجيم بوليميد (PI).

البوليميدات (PI) عبارة عن بوليمرات عالية الأداء تحتوي على حلقات إيميد في العمود الفقري الجزيئي. إنها تمتلك هيكل سلسلة شديد الصلابة وخصائص ميكانيكية ممتازة، مما يجعلها واحدة من مواد البوليمر الأعلى تصنيفًا لدرجة الحرارة. وقد وجدت PIs تطبيقات واسعة النطاق في مجال الطيران والمعدات العسكرية والاتصالات الإلكترونية وغيرها من المجالات. ومن بين هذه العوامل، اكتسبت عوامل تحجيم بولي إيميد إيميد (PEI)، التي تحتوي على روابط إيثر مرنة، اهتمامًا كبيرًا في السنوات الأخيرة كعوامل تحجيم ذات درجة حرارة عالية بسبب ثباتها الحراري الاستثنائي، وتحسين مرونتها، وقابليتها للذوبان بشكل أفضل، والتوافق مع راتنجات اللدائن الحرارية.

يمكن لعوامل تحجيم PI أن تتحمل درجات الحرارة العالية، وتلبية شروط التشكيل والاستخدام للمركبات القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية عالية الأداء (مثل مركبات CF/PES وCF/PEEK). ومع ذلك، على غرار عوامل تحجيم بولي أريل إيثر، فإن البنية الجزيئية الصلبة والمستقرة لعوامل تحجيم PI تؤدي إلى انخفاض قدرة الترابط مع ألياف الكربون (CF) وضعف قابلية المعالجة، مما يستلزم تعديلًا كيميائيًا.

تم إجراء تعديل لعامل تحجيم PI باستخدام الجسيمات النانوية عن طريق تشتيت أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران (MWCNT) في محلول ثنائي كلورو ميثان في جزيرة الأمير إدوارد. باستخدام طريقة المذيبات، تمت معالجة سطح نسيج CF بدرجة T300. وجدت الأبحاث أن MWCNT في عامل التحجيم المختلط قدم بشكل فعال عددًا كبيرًا من المجموعات النشطة ويمكن أن يغطي سطح الألياف بشكل موحد. بعد التحجيم، يمكن أن تشكل حلقات الإيميد في جزيرة الأمير إدوارد تفاعلات قطبية وروابط هيدروجينية مع مجموعات الهيدروكسيل والكربوكسيل على سطح MWCNT، بينما حدثت تفاعلات التراص π-π بين الحلقات العطرية لـ MWCNT وراتنج مصفوفة PEEK. أدى هذا التعديل إلى منع انتشار الشقوق بشكل كبير، مما أدى في النهاية إلى قوة قص بين الصفائح تبلغ 90.7 ميجا باسكال للمادة المركبة.

بالمعنى الدقيق للكلمة، تمثل مادة البولي أميد (PA)، والبولي يوريثين (PU)، والبولي أريل إيثر، والبوليميد (PI) أربع فئات من عوامل التحجيم، كل منها مصمم لأنواع مختلفة من راتنجات اللدائن الحرارية. تخضع أنظمة عوامل التحجيم هذه عادةً لتعديلات مختلفة أثناء الاستخدام لتحسين خصائص أداء مركبات ألياف الكربون البلاستيكية الحرارية بشكل فعال. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري النظر فيما إذا كانت العمليات التجريبية قد تسبب تأثيرات سلبية كبيرة على البيئة. ولإيجاد الحلول المثلى، يسعى العديد من الخبراء والعلماء محليًا ودوليًا إلى تحديد الأساليب الأكثر ملاءمة.