电子束增强可回收的纳米复合材料

用碳纤维增强的聚合物结合了强度和低重量。他们还拥有重要的绿色证书，因为他们在生产和使用过程中资源消耗较少，而且很容易回收利用。虽然连续纤维层压板的机械性能对于航空航天和汽车的应用具有足够的竞争力，但用短碳纤维增强的复合材料对于快速制造而言可能是有吸引力的，甚至对于具有更中等强度要求的应用的3D打印也是如此。因此，人们对优化短纤维增强热塑性塑料的机械性能以使这些材料的潜力最大化具有浓厚的兴趣。

研究人员将他们的研究限制在聚合物中，以便所得到的复合材料可以很容易地回收并重塑成其他形式。考虑到环境问题，他们将研究重点放在复合基质的生物基丙酸纤维素上。他们的研究包括研究电子束辐照对用酯官能化以增加交联的聚合物的强度的影响，以及用碳纤维增强的效果，以及在辐照(哑铃和颗粒)和长和短挤出喷嘴期间的不同形式。

虽然研究人员能够通过使用官能化酯来证明对辐射交联的控制水平，但这并不总是有利于机械性能，特别是当聚合物网络阻碍纤维的移动性时。此外，已知存在最小碳纤维长度，低于该长度，它们的夹杂物会损害而不是增强复合材料的拉伸强度，因为它们的存在会导致裂缝。

尽管碳纤维夹杂物和辐照诱导交联的潜在缺点，研究人员发现，照射短碳纤维复合材料颗粒使它们更强。进一步的研究表明，辐照强化和延长了碳纤维，同时照射颗粒并从颗粒制造哑铃留下足够的未交联聚合物基质，以使一些碳纤维移动以减轻应力。较短的喷嘴也减少了挤出过程中缩短碳纤维的效果。

“复合材料保留了其可回收性(即仍为热塑性塑料)的潜力，并且该处理实际上不含化学成分，”研究人员报告说。未来的工作可能包括材料的进一步机械表征。

背景

碳增强热塑性塑料的环境效益

较低质量的材料需要较少的燃料来移动它们，因此在汽车应用中利用热塑性塑料的轻质特性可降低燃料需求。此外，热塑性塑料可以很容易地从大部分良性组件中加工，使其更容易回收。

随着生物质中木质素产生的碳纤维的报道，获得碳纤维也变得越来越可持续。因此，使用碳纤维来增强热塑性聚合物的机械性能可以为经受机械应力和应变的应用提供环境友好的材料选择。

照射和交联

照射导致聚合物中的断链和交联效应。在丙酸纤维素链中，断链大大超过交联。虽然用酯官能化可以增强辐照下的交联，但研究人员发现，随着聚合物变硬，这实际上降低了拉伸强度。

添加碳纤维可以提供引发裂缝的位置。如果碳纤维足够长，则整体效果仍然是较强的材料，但对于短碳纤维，它们的包含实际上会削弱复合材料。此外，聚合物基质中的交联可以抑制纤维的移动性，从而产生应力。

研究人员还发现，挤出可以进一步缩短碳纤维，这种效果可以缩短挤出喷嘴的使用时间。通过形成在石墨纤维结构中的平面之间形成共价键的自由基，辐照对碳纤维强度和长度具有积极影响。因此，用经辐照的碳纤维增强聚合物颗粒生产哑铃改善了材料的机械性能; 所述照射导致更强的长碳纤维并且用经辐照的颗粒制造哑铃导致来自不同颗粒的一些未交联的基质以允许纤维移动。