Les polymères renforcés de fibres de carbone allient résistance et légèreté. Ils présentent également des références vertes importantes car ils sont moins gourmands en ressources pendant la production et l'utilisation, et ils sont facilement recyclés. Alors que les propriétés mécaniques des stratifiés à fibres continues sont suffisamment compétitives pour les applications dans l'aérospatiale et l'automobile, les composites renforcés de fibres de carbone courtes pourraient être intéressants pour une fabrication rapide, et même l'impression 3D pour les applications avec des exigences de résistance plus modérées. Par conséquent, il existe un vif intérêt pour l'optimisation des propriétés mécaniques des thermoplastiques renforcés de fibres courtes afin de maximiser le potentiel de ces matériaux. László Szabó et Kenji Takahashi et leurs collègues de l'Université de Kanazawa et de l'Institut de technologie de Kanazawa ont maintenant démontré que l'irradiation de thermoplastiques à fibres de carbone courtes avec un faisceau d'électrons peut améliorer leurs propriétés mécaniques.

Les chercheurs ont limité leur étude aux polymères afin que le composite résultant puisse être facilement recyclé et remoulé sous d'autres formes. Avec des préoccupations écologiques à l'esprit, ils ont concentré l'étude sur le propionate de cellulose biosourcé pour la matrice composite. Leur étude comprenait l'étude des effets de l'irradiation par faisceau d'électrons sur la résistance des polymères fonctionnalisés avec des esters pour augmenter la réticulation, et rehaussé de fibres de carbone, ainsi que différentes formes lors de l'irradiation (haltères et pastilles) et des buses d'extrusion longues et courtes.

Alors que les chercheurs ont pu démontrer un niveau de maîtrise de la réticulation sous rayonnement avec l'utilisation d'esters fonctionnalisants, cela n'a pas toujours été bénéfique pour les propriétés mécaniques, en particulier lorsque le réseau de polymères gênait la mobilité des fibres. En outre, il est connu qu'il existe une longueur minimale de fibre de carbone en dessous de laquelle leur inclusion compromet plutôt qu'elle n'améliore la résistance à la traction du composite car leur présence provoque des fissures.

Malgré les inconvénients potentiels de l'inclusion de fibres de carbone et de la réticulation induite par l'irradiation, les chercheurs ont découvert que l'irradiation de pastilles de composite à fibres de carbone courtes les rendait plus solides. D'autres études ont suggéré que l'irradiation renforçait et allongeait les fibres de carbone, tandis que l'irradiation des pastilles et la fabrication d'haltères à partir des pastilles ont laissé une matrice polymère non réticulée suffisante pour une certaine mobilité des fibres de carbone afin d'atténuer les contraintes. La buse plus courte, également diminué les effets qui raccourcissent la fibre de carbone pendant l'extrusion.

« Le composite conserve son potentiel de recyclabilité (c'est-à-dire toujours thermoplastique) et le traitement est pratiquement sans produits chimiques, " rapportent les chercheurs. Les travaux futurs pourraient inclure une caractérisation mécanique plus poussée du matériau.

Fond

Avantages environnementaux des thermoplastiques renforcés de carbone

Les matériaux de masse inférieure nécessitent moins de carburant pour les déplacer, de sorte que l'exploitation des propriétés de légèreté des thermoplastiques dans les applications automobiles pourrait réduire les besoins en carburant. En outre, les thermoplastiques peuvent être traités facilement à partir de composants en grande partie inoffensifs, ce qui les rend plus facilement recyclés.

L'obtention de fibres de carbone devient également de plus en plus durable, avec des rapports sur les fibres de carbone produites à partir de la lignine dans la biomasse. En conséquence, l'utilisation de fibres de carbone pour améliorer les propriétés mécaniques des polymères thermoplastiques pourrait fournir une option de matériau écologique pour les applications où les contraintes et contraintes mécaniques subies sont modérées.

Irradiation et réticulation

L'irradiation conduit à la fois à des effets de scission de chaîne et de réticulation dans les polymères. Dans le propionate de cellulose, la scission de chaîne l'emporte largement sur la réticulation. Alors que la fonctionnalisation avec des esters pourrait améliorer la réticulation sous irradiation, les chercheurs ont découvert que cela diminuait en fait la résistance à la traction à mesure que le polymère devenait plus rigide.

L'ajout de fibres de carbone peut fournir des sites qui initient des fissures. Si les fibres de carbone sont suffisamment longues, l'effet global est toujours un matériau plus résistant, mais pour les fibres de carbone courtes, leur inclusion peut en fait affaiblir le composite. De plus, la réticulation dans la matrice polymère peut inhiber la mobilité des fibres, de sorte que les contraintes s'accumulent.

Les chercheurs ont également découvert que l'extrusion peut raccourcir davantage les fibres de carbone, un effet qu'une buse d'extrusion plus courte peut aider à atténuer. L'irradiation a un effet positif sur la résistance et la longueur des fibres de carbone en formant des radicaux libres qui forment des liaisons covalentes entre les plans de la structure des fibres graphitiques. En conséquence, la production d'haltères à partir de pastilles de polymère irradiées enrichies de fibres de carbone a amélioré les propriétés mécaniques du matériau; l'irradiation a conduit à des fibres de carbone plus longues et plus résistantes, et la fabrication des haltères à partir de pastilles irradiées a conduit à une matrice non réticulée à partir des différentes pastilles pour permettre le mouvement des fibres.