Exploring Mechanical Adhesion in Fiber Reinforced Composites with Aramid and Recycled Carbon Fibers

Abstract

Polymeerikomposiitit ovat monipuolinen materiaali ryhmä, joille tyypillisiä ominaisuuksia ovat muun muassa suuri lujuus ja jäykkyys yhdistettynä keveyteen. Kuitenkin vain oikeilla materiaalivalinnoilla, rakenteen optimoinnilla ja oikeanlaisella valmistusmenetelmällä voidaan aikaansaada kestävä ja toimiva komposiittirakenne, joka täyttää halutut vaatimukset. Komposiitit koostuvat matriisista ja lujitteesta, jotka yhdessä muodostavat kevyen ja kestävän kokonaisuuden. Kuitenkin, mikäli matriisin ja lujitteen välille ei onnistuta muodostamaan kestävää rajapintaa, koko rakenteen kuormankantokyky on puutteellinen. Pahimmassa tapauksessa huono rajapinnan adheesio voi johtaa koko komposiittikappaleen ennakoimattomaan murtumiseen ja rikkoutumiseen.

Tämän väitöskirjan tavoitteena on määrittää miten mekaanisen adheesion kasvattaminen kuitu-matriisirajapinnalla vaikuttaa kyseisen rajapinnan kokonaisadheesio-ominaisuuksiin polymeerikomposiitissa. Lisäksi tavoitteena on selvittää, voidaanko tämä vaikutus nähdä eri kokoisissa komposiittirakenteissa sekä erilaisilla materiaaliyhdistelmillä. Tavoitteiden toteuttamiseksi kaksi lähestymistapaa valittiin: aramidikuitujen pinnanmuokkaus kehittämällä uusi pintakäsittelymenetelmä sekä valmiiksi teksturoitujen kierrätettyjen hiilikuitujen hyödyntäminen. Näistä kuiduista valmistettiin mikro- ja makroskaalan komposiitteja, joiden kuitu-matriisirajapinnan lujuus mitattiin. Lisäksi pintakäsittelymenetelmän vaikutusta kuitujen ominaisuuksiin tutkittiin vetokokeilla, elektronimikroskoopilla sekä atomivoimamikroskoopilla.

Tulokset osoittivat, että mekaanisen adheesion lisääminen rajapinnalla lisää myös rajapinnan lujuutta kokonaisuudessaan. Jopa nanokokoiset partikkelit, jotka ovat tiukasti kuidun pinnassa kiinni, lisäävät kuitu-matriisirajapinnan adheesiota, vaikuttamatta kuitenkaan kuidun mekaanisiin omaisuuksiin negatiivisesti. Lisäksi havaittiin, että lisääntynyt rajapinnan lujuus näkyy sekä kerta- ja kestomuovi- sekä kumimatriisissa että eri kokoskaalan komposiiteissa. Tällä tavoin aramidi- ja hiilikuitujen käyttöpotentiaalia voidaan laajentaa ja näin mahdollistaa siirtymä kohti ekologisesti kestävämpää komposiittien valmistusta näiden kahden erikoislujan kuidun kohdalla.

Polymer composites are a versatile group of advanced materials with high strength, low weight and high stiffness. To achieve these properties special care must be taken in the manufacturing process of each composite structure starting from material selection to compounding and assembly. Composites are composed of matrix material and reinforcing material. The combination of these two elements is what gives the composite its unique properties. However, if these elements are not joined together properly through interfacial adhesion the load carrying capacity of the structure is compromised. In the worst case, poor adhesion may cause catastrophic failure of the whole composite.

The objective of this thesis is to identify what effect does increased mechanical adhesion at the fiber-matrix interphase in fiber reinforced polymer composites have on the adhesion properties. In addition, the goal is to determine if this effect can be observed in composite structures of different size scales and material combinations. To achieve these goals, two case studies were investigated: development of a novel surface treatment method for aramid fibers to create increased surface topography and utilization of recycled carbon fibers with pronounced surface topography acquired through an adjoining project. Using these two fiber types, micro and macroscale composites were manufactured and the adhesion between fibers and matrix measured. In addition, the effect of the surface treatment on the fibers was tested with single filament tensile tests, electron microscopy and atomic force microscopy.

The results of this study showed that by increasing mechanical adhesion at the fiber-matrix interphase the overall interfacial adhesion is increased also. Even nanoscale structures that are firmly attached to the fiber surface, have a positive effect on the adhesive properties without affecting the fiber properties negatively. In addition, it was shown that the increased adhesion can be observed in thermoset, thermoplastic and rubber matrices in different size scales. This broadens the use- potential of aramid and recycled carbon fibers and enables a transition towards more sustainable composite manufacturing with these two advanced fiber materials.