微波加热固化聚合物复合材料研究进展（三）

使用微波加热处理热塑性PMC的研究越来越多，是由于热塑性树脂在应用时是可模塑过程的是可重复的，这对环保是友好的。由于环境负担日益加重，相关政策促使研究人员提出可重复使用和可回收的材料的解决方案。几乎所有热塑性聚合物都是可重复使用和可回收的。因此，有必要研究如何使热塑性聚合物的加工变得更容易和经济。微波加热工艺是解决方案之一，然而热塑性塑料的加工面临的主要挑战聚合物和聚合物复合材料大都对微波能量无法吸收，大多数热塑性聚合物颗粒（如聚丙烯（PP）和高密度聚乙烯（HDPE））的介电常数都很小。通过研究发现，MHH技术可以解决微波加热热塑性聚合物存在的问题。在MHH技术中，一种具有高介电常数的材料（木炭、碳化硅、石墨、粘土陶瓷砖等）用于熔化聚合物。这些材料吸收大部分微波并迅速加热，然后通过传导将热量传递给聚合物颗粒，同时可以施加适当的压力（如图5a所示），使其熔化并且获得更好的均匀性。许多研究表明，聚四氟乙烯不会吸收任何微波能量，建议使用聚四氟乙烯夹具来施加内部压力。

研究人员使用天然纤维（如黄麻、蓑衣、红麻、大麻、糖棕榈、剑麻等）增强热塑性聚合物并使用微波加热工艺制造复合材料。研究发现，功率和时间是显著影响所开发复合材料的机械性能的重要参数，因此针对不同的聚合物基体，需要配套的微波功率与加热时间。一项研究报道了微波功率对制造HDPE复合材料力学性能的影响。另一项研究报告显示碳纳米管（CNTs）对微波能量的吸收效率更高。进一步的研究的重点是在微波加热的环境下，通过对纤维进行预处理，提高复合材料的性能。研究人员发现使用氢氧化钠（NaOH）处理天然纤维，可使去除纤维表面的半纤维素、木质素、果胶和蜡会，形成凹坑，增加纤维和基体间摩擦力，从而增强材料的机械性能。微波加热工艺生产热塑性聚合物已经在医学领域的得到应用，如支架的制造。

目前，微波加热热塑性聚合物还需要朝着以下几个方面深入研究：（a）使用微波加热技术制造短纤维复合材料（b）工艺温度测量与控制，（c）加热过程中时间和温度的数据建模，以及确定其对合成材料性能的影响（d）微波加热热塑性复合材料的二次加工（e）微波加工生产碳纤维增强热塑性材料（f）微波改性天然纤维将其用作绿色复合产品的制造。

图5

微波粘合是一种融合接合技术，属于EM加热的类别。在微波辅助连接过程中，接头区域暴露在微波下，其余试样用反射微波的材料进行掩蔽，加热方式属于选择性微波加热。热塑性塑料的介电性能对热塑性材料微波连接的影响复合材料。具有高介电损耗因数的热塑性材料在接合处产生大量热量。此外热塑性塑料的介电性能受聚合物结晶度的影响。结晶度大于45%的聚合物是由于偶极辐射限制，对微波能量基本不吸收。添加导电填料或纤维，称为基底材料会对介电损耗因数产生重大影响热塑性聚合物。所使用的基底材料的一些常见实例是炭粉、碳化硅、碳纤维、碳纤维和碳纤维，以及金属粉末。待接合的两个被粘物保持在接头面积为25mm×25mm的搭接结构。基底材料放置在接缝区域的顶部和底部，如图5所示（b）。当微波打开时，基底材料开始以更快的速度吸收微波并使其温度升高迅速地一旦基底材料被加热，它通过传导至接头界面，从而软化聚合物材料关节接口。熔融聚合物仅在接合区域形成样本的其余部分被掩盖。微波的优点之一连接是比其他连接方法花费更少的时间。由于速度更快在微波暴露期间经历的加热速率，在更短的处理时间内完成连接。这归因于目标关节区域中的均匀和体积加热。Yarra gadda和Chai使用集中微波能量检查了热塑性连接。两种方法用于热塑性连接程序。在第一种情况下，微波能量直接在试样接头界面处产生，而在第二种情况是使用环氧树脂形式的底漆鼓励材料通过微波辐射连接。房间下方温度设置，使用（超高分子量聚乙烯）UHMWPE、聚碳酸酯（PC）和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）聚合物。最近，天然纤维基聚合物复合材料及其用于工业应用的连接正在进行大量的工作。在使用微波能量加入NFRC的相关工作中，有一项研究是将PLA/Sisal制成的生物可降解复合物是通过压缩模塑制造的可变纤维含量技术；然后将复合材料连接起来使用微波能量和木炭作为感受器。据报道纤维含量较低的生物复合材料的粘结时间较短地层。在另一项调查中粘接接头与微波基接头的强度进行了连接，据报告，使用与粘合技术相比，微波能量显示出更好的接头强度。发现了输入功率、样品在微波腔内的位置、暴露时间、使用的基底类型在确定连接过程中具有基本作用。PP和制备了（聚乳酸）PLA基天然纤维复合材料在微波能量的辅助下。PLA基复合材料据报道，其接头强度高于聚丙烯基复合材料。在其中一项研究中，尼龙/Grewia optiva复合材料采用阿拉丁石作为粘性材料的搭接结构。这个利用可变频率和固定频率微波施加器实现了复合材料的连接，并对结果进行了比较。是的观察到复合材料通过变频微波连接涂抹器显示出更好的结果。因此，可以得出如下结论：微波处理是一种有效和省时的技术聚合物复合材料的连接。

微波处理技术的经济方面已在早期工作中进行了分析。结果表明，与常规方法相比，微波烧结所消耗的总加工时间和能量/功率和微波铸造的数量相当少。类似的趋势可以在使用微波能量用聚合物复合材料加工。数据GKN aerospace提出的特定微波固化CFRP与传统高压釜工艺相比，飞机部件的能量减少了80%，总循环时间减少了40%。Joshi和Bhudolia报道，在微波固化中消耗量是高压釜固化的1/12，过程为6分别比高压釜和烘箱固化快3倍和5倍。此外，对于用于固化的间接微波固化工艺多向CFRP，能量消耗和固化周期为分别为传统热固化方法的24.1%和57.9%，分别。此外，一个研究小组报告说热塑性复合材料在微波辅助下的时间压缩成型设置比常规压缩成型低5.71倍。需要注意的是，微波处理技术是节能和省时的。除了该技术的经济特点，还提供了一种环保材料的加工解决方案。

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