Manufacturing process and mechanical testing for carbon fibre composites based on retro Diels Alder resins having reversible crosslinking

The increasing penetration of composite materials into several industries will drive composite market towards a continuous and steep growth in the near future. Nevertheless, some market’s segments are not yet achievable, due to various disadvantages of composites, such as non-reversible crosslinking, impossibility to automate manufacturing processes, no weldability, etc. etc. These properties are impacted by the different microstructure between thermoplastic and thermoset matrices. For this reason, reversible cross-linking matrices attract increasing research’s interest. Furan-maleimide macromolecular networks carry great potential for use in reversible cross-linking composites, allowing multiple reversible DA-cycloaddition and rDA-cycloreversion. The main principle is such that rDA thermal treatment eliminates cross-linking and enables reflow and reshaping of composites, keeping the positive characteristics of both thermoplastic and thermoset resins. The aim of the present work is to add DA molecules to typical composites matrix, to produce the final composite and to test its mechanical properties. The study approaches successful production and mechanical testing of three different rDA carbon fabric laminates manufactured with powder impregnation technique. As counterpart, initially eleven different types of rDA matrices and three impregnation techniques were ana-lysed. Due to the self-polymerization of the rDA molecules, unexpected gelification of the rDA matrices and high viscosity, seven matrices and two manufacturing processes have been excluded. The produced laminates presented mechanical properties which are much lower than those requested to enter the automotive, marine, aereospace and wind industries. From the mechan-ical properties obtained with different fibre mass content it is possible to say that a fibre mass content of 56,5% shows the best results. In a nutshell, the results contribute and encourage to get started with introducing DA moieties to polymer matrices. In order to explore enhanced mechanical properties for rDA matrices and allow their entrance in high performance markets, further systematic investigations needs to be carried out.

La crescente penetrazione dei materiali compositi nelle diverse industrie spingerà, nel futuro prossimo, il mercato dei compositi a una crescita rapida e inarrestabile. Tuttavia, alcuni mer-cati, non sono ad oggi accessibili a causa di alcune proprietà specifiche dei compositi che di-pendono principalmente dalla diversa microstruttura delle matrici termoplastiche e termoindu-renti fino ad oggi utilizzate, quali la irreversibilità delle reticolazioni, l’impossibilità di auto-matizzare i processi industriali, la saldabilità, ecc. Per questo motivo, la ricerca sulle matrici con reticolazione reversibile è in continua evoluzione. La macromolecola “furano/maleimide”, studiata per la reticolazione reversibile, presenta un grande potenziale per i materiali compositi, poiché consente una molteplicità di Diels-Alder cicloaddizioni e retro-Diels Alder cicloreversioni. Il principio è tale per cui con un trattamento termico sulle molecole rDA, permette di eliminare le reticolazioni, consentendo il rimodella-mento dei compositi e mantenendo invariate le caratteristiche positive delle resine termopla-stiche e termoindurenti. Lo scopo di questo lavoro, è quello di aggiungere molecole Diels-Alder a una tipica matrice per materiali compositi, al fine di produrre un composito con matrice reversibile su cui testare le proprietà meccaniche. Lo studio affronta con successo, la produzione e la caratterizzazione delle proprietà meccani-che, di tre diversi laminati-rDA in fibra di carbonio, realizzati con la tecnica “powder im-pregnation”. Inizialmente erano state considerate e studiate undici diverse matrici rDA e tre diversi processi di produzione. Purtroppo pero, a causa dell’auto-polimerizzazione delle mo-lecole rDA, dell’inaspettata gelificazione delle matrici rDA e dell’alta viscosità, sette matrici e due processi di produzione sono stati esclusi. Analizzando i risultati, i laminati prodotti presentano proprietà meccaniche molto inferiori a quelle richieste per entrare nelle industrie nautica, dell’automobile, aerospaziale ed energetica. Tuttavia dallo studio effettuato sulle proprietà meccaniche dei laminati, è possibile costatare che, un laminato con un contenuto di fibra in massa pari a 56,5% mostra risultati migliori rispetto a laminati con un contenuto di fibra minore. I risultati ottenuti contribuiscono e incoraggiano l’introduzione di molecole rDA nelle matrici polimeriche. Studi più approfonditi devono però, essere effettuati per migliorare le proprietà meccaniche dei laminati e per consentire il loro ingresso in industrie con standard di presta-zione elevati.