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在碳纤维复合材料回收时使用红外光谱对基体树脂的结构和种类进行快速区分

   日期:2024-01-03     来源:碳纤维及其复合材料技术    浏览:133    评论:0    
核心提示:碳纤维增强塑料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)是一种使用碳纤维对树脂基体进行增强加工而成的复合材料,它具有重量轻、高强度、高刚度等突出特点。近年来,CFRP已被广泛应用于各个领域,包括飞机和汽车等运输装备,以及土木工程和建筑等领域。
碳纤维增强塑料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)是一种使用碳纤维对树脂基体进行增强加工而成的复合材料,它具有重量轻、高强度、高刚度等突出特点。近年来,CFRP已被广泛应用于各个领域,包括飞机和汽车等运输装备,以及土木工程和建筑等领域。


用于飞机和高速铁路等领域的CFRP的主要是热固性CFRP,在该型材料中,热固性树脂通过加热发生固化,而环氧树脂是最具代表性的一种热固性树脂。虽然热固性CFRP具有极高的强度和刚度,但存在如下缺点:加工周期长;因为热固性CFRP不像钢和塑料那样表现出变形行为,因此它的二次加工难度高;此外,热固性CFRP回收困难且生产成本高。

与之相比,热塑性CFRP使用的树脂在加热时会变软,在这种类型CFRP中使用的树脂类型范围很广,包括聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚苯硫醚(PPS)等。虽然热塑性CFRP在强度和刚度方面不如热固性CFRP,但它们可批量生产、性能优异,并且易于二次加工。此外,由于它可回收,生产成本也可以保持在相对较低的水平。因此,热塑性CFRP作为在量产型汽车中实现轻量化的新材料引起了相当大的关注。

通过傅立叶变换红外分光光度法(Fourier transform infrared spectrophotometry,FTIR)可以很容易地区分CFRP中所使用的树脂类型,因此在对CFRP回收前,使用FTIR测试CFRP的树脂成分是一种有效的质量控制工具。本文采用红外光谱法对热固性CFRP和热塑性CFRP进行了测定,并对其组成树脂进行了区分。

在本文中热固性CFRP选择了常见的环氧树脂作为基体,而在热塑性CFRP中主要测试了以聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰胺6(PA6)和聚醚醚酮(PEEK)为基体的热塑性复合材料。图1显示了CFRP材料的外观结构。通过使用岛津IRSpirit™FTIR光谱仪和搭配QATR™-S单反射ATR配件进行测量。表1显示了IRSpirit和QATR-S的测量条件。

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使用QATR-S的测量是通过将样品与ATR棱镜表面紧密接触来进行的。因为不需要特殊的预处理,所以可以实现快速测量。此外,由于QATR-S被设计为与样品室的所有侧面齐平,因此可以使用宽的顶部采样表面,从而可以在不切割的情况下测量大面积样品。

图2至图5分别显示了使用环氧树脂、聚醚酰亚胺、聚酰胺6和聚醚醚酮的CFRP的红外(IR)光谱和光谱搜索结果,其中红线表示测量结果,黑线表示频谱搜索结果。将IRSpirit作为标准功能提供的库用于频谱搜索。结果显示,在所有情况下,搜索结果都与所使用的树脂一致。

图片图2 环氧树脂热固性CFRP的红外光谱

图片图3 聚醚酰亚胺热塑性CFRP的红外光谱
图片图4 聚酰胺6热塑性CFRP的红外光谱
图片图5 聚醚醚酮热塑性CFRP的红外光谱

使用岛津FTIR光谱仪对用作热固性和热塑性CFRP的基体树脂进行区分。通过使用提供有FTIR的数据库作为标准特征,可以对树脂组分进行简单的定性分析,此技术可用于回收CFRP时的质量控制。


 
 
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