Новое определение композитов?

По мере развития технологии композитных материалов должно расти и наше понимание того, какими могут быть композиты и что они могут предложить.

Этот блог основан на пресс-релизе, который я получил от компании IntegriCo Composites (Сарепта, штат Луизиана, США), которая производит композитные железнодорожные шпалы и строительные маты. Глядя на их пресс-релиз и веб-сайт, оба из которых сосредоточены на переработке и преобразовании пластиковых отходов в экологически чистые конечные продукты с улучшенными характеристиками, я понял, что это 100% пластиковая технология. Итак, я написал в ответ:«Ваше определение композитного материала не соответствует нашему». Но я был неправ.

Как смесь становится композитом

Каково определение составного ?

Я объяснил, что, хотя IntegriCo утверждает, что ее продукты представляют собой композиты с превосходными свойствами, на самом деле они представляют собой сплав . - плавленый сплав пластмасс. В конечном продукте нет армирования волокном и не более одного идентифицируемого материала.

Брайан Арквуд, технический директор IntegriCo, умолял не согласиться с этим, объясняя, что продукты IntegriCo представляют собой смесь двух или более типов материалов, которые сохраняют уникальную идентичность, спроектированные и спроектированные путем обработки для обеспечения превосходных характеристик и производительности. «Позвольте мне уточнить, - сказал он.

В нашем процессе используется смесь HDPE (полиэтилена высокой плотности) и LDPE (полиэтилена низкой плотности), а также полипропилена и полистирола. Это сделано намеренно, поскольку каждый из этих разнородных полимеров вносит свой вклад в общие характеристики конечного продукта. Мы можем манипулировать и / или изменять свойства конечного продукта, изменяя соотношение каждого пластика и / или обработки всей смеси. Однако разные пластмассы не просто плавятся вместе.

Вот где эта смесь становится композитной:

«Пластики с более высокой молекулярной массой (HMW), которые не плавятся, вкраплены в непрерывный полимер пластмасс, которые обрабатываются выше температуры плавления. Когда эта смесь охлаждается, пластмасса подвергается процессу зародышеобразования. Скорость и процесс зародышеобразования контролируются температурой обработки, скоростью охлаждения и последующей загрузкой зародышеобразователя. Этот агент представляет собой химическое вещество, разработанное IntegriCo и используемое только в нашем технологическом процессе ».

«По мере того, как происходит зародышеобразование, общая кристалличность пластичной смеси регулируется, и неплавкие полимеры HMW запутываются между полимерными цепями, которые связаны ковалентно. На полимеры также воздействуют с помощью напряжения сдвига, чтобы снизить вязкость во время формования, чтобы способствовать лучшему взаимодействию и сцеплению зародышевых полимеров с неплавкими полимерами ».

Зарождение ядра, кристалличность и контролирующее соотношение сторон

Для меня ключевыми понятиями здесь являются зарождение (начало процесса образования кристаллов), контроль кристалличности (управление формированием кристаллов) и управление процессом для достижения лучшего интерфейса между запутанными зародышевыми полимерами и неплавкими полимерами. Последний бит действительно важен для композитов, потому что без хорошего взаимодействия между различными материалами не будет эффективной передачи нагрузки и превосходных характеристик.

Также помните, что в быстрорастущей области термопластичных композитов полимеры, предлагающие более высокие механические свойства, а также большую термостойкость и химическую стойкость, являются полукристаллическими. Эти полукристаллические свойства достигаются и регулируются путем регулирования кристалличности, чаще всего посредством регулирования температуры во время обработки.

Композитные железнодорожные шпалы IntegriCo позволяют повторно использовать пластиковые отходы в композитном продукте с превосходными эксплуатационными характеристиками, в котором удлиненный легкоплавкий пластик усиливает матрицу из легкоплавкого пластика. ИСТОЧНИК | Композиты IntregiCo

Описание Арквуда также натолкнуло меня на мысль о самоупрочняющемся пластике (SRP) , такие как Pure, Curv, Armordon, Tegris и самый последний проект BIO4SELF, получивший награду JEC Innovation Award 2019. Обычно композиты SRP изготавливаются с использованием полимера с низкой температурой плавления (биополимер PE, PP или PLA) и армирования его волокном с более высокой температурой плавления, изготовленным из того же полимера. Использование полимеров с высокой и низкой температурой плавления - это именно то, что делает IntegriCo. Поэтому я спросил Арквуда, действительно ли неплавкие полимеры с более высокой молекулярной массой (HMW), которые он использует, появляются / образуются / ведут себя как волокна ?

«Это дает те же преимущества, что и волокна», - сказал он. «Мы меняем соотношение сторон полимеров HMW в полимерной матрице, чтобы управлять свойствами продукта. Увеличение или уменьшение содержания полимеров HMW в сочетании с изменениями других рабочих параметров может иметь значительное влияние на пластические свойства, такие как модуль упругости, модуль разрыва и твердость ».

Арквуд объясняет, что IntegriCo может изменять соотношения полимеров и рабочие параметры в соответствии с конкретными потребностями клиентов. «Мы задокументировали это с помощью данных разрушающих испытаний и удовлетворили запросы клиентов, в том числе Union Pacific и армию США, связанные с недвижимостью. Соотношение полимеров - HMW к LMW и линейных к нелинейным или сильно разветвленным - играет важную роль в наших продуктах так же, как армирование волокном в других пластмассовых композитных продуктах, влияя на ключевые характеристики прочности, жесткости, твердости и ударной вязкости ».

Устойчивое развитие

Итак, во-первых, IntegriCo действительно является источником вдохновения, заслуживающим внимания индустрии композитов, поскольку наша планета разрушается с отходами. Более 90% пластика становится отходами во всем мире, и более 34 миллионов метрических тонн пластика ежегодно отправляется на свалки или мусоросжигательные заводы только в США и Канаде. IntegriCo предлагает реальное решение, перерабатывая смешанные жесткие пластмассы и, как правило, не подлежащие вторичной переработке материалы марок 3-7, которые Китай прекратил получать в 2018 году. Пластмассы классов 3-7 труднее утилизировать согласно классификации Международной системы кодирования смол (RIC) ASTM. определяет составляющие полимеры и возможность вторичной переработки всех пластмасс. Сорта 1 (ПЭТ, ПЭТ) и 2 (HDPE) легко перерабатываются, а 5 (ПП) начинают перерабатываться, в то время как все другие сорта, включая 3 (ПВХ), 4 (LDPE), 6 (PS) и 7 (другие) ) в настоящее время не перерабатываются. Таким образом, IntegriCo меняет ситуацию, перенаправляя отходы со свалок и превращая их в композитные продукты с добавленной стоимостью, которые служат дольше, чем альтернативы, и со временем производят меньше отходов.

Нано-CMC

Мое второе замечание заключается в том, что технологии развиваются в том, что такое композит. Я считаю, что это уже влияет на развитие композитного материаловедения, и я надеюсь вдохновить на дальнейшие разработки. То, что вызвало у меня это осознание, было использование Арквудом метода зародышеобразования . Я сразу же узнал об этом из своих недавних исследований композитов с нанокерамической матрицей (нано-КМЦ, см. Мою статью о нанокомпозитах от июля 2019 года).

Это из статьи «Полимерные и керамические нанокомпозиты для аэрокосмической промышленности», опубликованной в ноябре 2017 года:

“ Нанокомпозиты - это материалы XXI века, годовые темпы роста которых составляют 25% благодаря их многофункциональным возможностям. … Благодаря возможности сочетания желаемых свойств, нанокомпозиты расширяют свой потенциал в аэрокосмических приложениях и в будущих космических полетах. … Нанонаполнители увеличивают способность к зародышеобразованию за счет улучшения межфазного взаимодействия с полимерной матрицей ».

Я не могу ручаться за темпы роста на 25%, но очевидно, что нанокомпозиты обладают большим потенциалом. В этом тексте обсуждается зарождение нанонаполнителей. Новым для меня была разработка нано-КМЦ, в которых керамическая матрица фактически армирована не волокном или наполнителем, а другой керамикой, где зародышеобразование и кристаллизация последнего контролируются для получения армирования с высоким аспектным отношением.

В своей статье о нанокомпозитах в июле 2019 года я использую иллюстрацию из статьи Паолы Палмеро 2015 года: «Структурные керамические нанокомпозиты:обзор свойств и методов синтеза порошков» показать примеры микромасштабных и наноразмерных композитов. A, B и C показывают микромасштабную (микронную) матрицу, армированную наночастицами, нановолокнами или нанопластинками, соответственно, в то время как D имеет как округлые, так и наноусиления с высоким соотношением сторон. Однако E и F иллюстрируют двухфазные и многофазные нанокомпозиты . соответственно, где наноразмерная керамика не смешивается.

Рис. 1 Распространенные микро / нанокомпозитные структуры для керамических материалов.
ИСТОЧНИК | «Структурные керамические нанокомпозиты:обзор свойств и методов синтеза порошков» Паолы Палмеро.

Палмеро описывает на месте кристаллизация вторых фаз на поверхности частиц матрицы - другими словами, матрица является первой фазой, а другая керамика - второй фазой - как один из ключевых процессов, используемых при производстве керамических нанокомпозитов. После кристаллизации размер и форма керамических кристаллов или зерен имеют решающее значение, поскольку они определяют объемные свойства керамического композита. Например, известно, что удлиненные зерна имеют in-situ закаливающий эффект. Палмеро отмечает, что возможность адаптировать желаемые наноструктурные характеристики в этих спеченных композитах жизненно важна, но является сложной задачей, требующей строгого контроля процесса на протяжении всего процесса смешивания, формования, спекания и уплотнения.

Аналогичная иллюстрация и обсуждение представлены на рис. 6 в книге Intechopen.com Физические и металлургические характеристики композитов с керамической матрицей, армированной волокном . В разделе 9.1.2 обсуждается микроструктура нитрида кремния (Si ₃ N ₄ ) / нанокомпозиты карбид кремния (SiC), полученные спеканием (горячим прессованием). Их микроструктура содержит крупные удлиненные частицы β-Si ₃ N ₄ (усы), которые окружены более мелкими частицами β-Si ₃ N ₄ с иглами формы. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, приведенная ниже на рис. 7b, показывает эту структуру при 20-тысячном увеличении.

Эти поперечные сечения двухфазных керамических нанокомпозитов (слева) и переработанных пластиковых композитов (справа) на самом деле очень похожи, хотя они сильно отличаются от поперечных сечений обычных композитов, армированных непрерывным волокном.

ИСТОЧНИК | Рисунок 7, раздел 9.1.2:«Физические и металлургические характеристики композитов с керамической матрицей, армированной волокном», автор Зденек Йоншта, Эвелин А. Боланьос К., Моника Грабалова и Петр Йоншта (слева) и поперечный разрез композитной железнодорожной шпалы, IntegriCo Composites (справа).

Преимущества двух- и многофазных композитов

Так почему же это выгодно для индустрии композитов? Потому что материаловеды используют это новое определение композитов для достижения уникальных, адаптированных комбинаций механических, тепловых, электрических и абляционных свойств . Например, Лаборатория военно-морских исследований (NRL, Вашингтон, округ Колумбия, США) разработала композиты из нитрида кремния, нитрида циркония и диборида титана, а также методы их армирования жесткими волокнами. Эта огнеупорная керамика обладает высокой прочностью, термической стабильностью и переменной электропроводностью и теплопроводностью, что позволяет им соответствовать требованиям, предъявляемым к компонентам гиперзвуковых транспортных средств . - то, чего не могут сделать органические полимерные композиты и даже современные металлические сплавы.

NRL также разрабатывает технологию аддитивного производства, которая будет включать наноструктуры в эти материалы и дополнительно настраивать свойства диэлектрического, теплового и электромагнитного экранирования с более высоким разрешением, чем это возможно с доступными в настоящее время материалами . Даже если вы не обязательно согласны с защитными приложениями, запланированными для этих материалов, они также могут предоставить ценные решения для запланированных исследований космоса и полетов на Марс. Но они также могут открыть новые возможности для композитов на биологической основе . которые предлагают не только высокую производительность здесь, на Земле, но и возможность делать это экологически рационально и таким образом, чтобы материалы и конечные продукты можно было производить и перерабатывать с меньшими затратами энергии и ресурсов.

Я не говорю, что армированные волокном композиты уходят со сцены или даже тускнеют. Но по мере развития технологий должно расти и наше понимание того, какими могут быть композиты и что они могут предложить.