长纤维和连续纤维热塑性复合材料能提供更多工作岗位

长纤维和连续纤维热塑性复合材料正处于工业研究和应用的中心阶段。

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目前热塑性复合材料的研究和创新主要集中在长纤维增强热塑性塑料(LFRTs)和连续纤维增强热塑性塑料(CFRTs)。ReportLinker的市场研究报告显示,从2017年到2021年,LFRTs的复合年均增长率(CAGR)将达到8.5%,2017年到2022年CFRTs的复合年均复合增长率将达到9.5%。相比之下,短纤维热塑性塑料的复合年增长率只有4.5% 2021。

LRFT可作为粒料使用,主要用于注射和压缩成型,CFRT则用于单向(UD)胶带,用于织造片材,纤维缠绕和拉挤成型。尽管形式不同,但这些热塑性材料具有许多理想的特性。

“连续纤维热塑性塑料的使用基于三个基本特性:与传统材料(如木材,热固性材料或金属)相比,它们可以减少部件的重量,而不会降低结构强度,它们具有增强的物理特性(如刚度),可回收,“PolyOne先进复合材料全球市场总监Kelly Wessner说。

长而连续的纤维热塑性塑料提高了生产效率,因为它们比传统材料更容易使用,并且可以简化加工流程。另外,与金属或热固性连续纤维材料相比,它们具有更大的灵活性来处理复杂的设计几何形状。Wessner补充说:“由于可以进行后成型[重熔],所以热塑性塑料可以用于多种材料工艺,例如包含PET(泡沫)蜂窝状芯材的面板或注塑成型的胶带和用于局部增强的层压板。

与热固性部件不同,热固性部件必须用机械紧固件或粘合剂粘合,热塑性部件可以焊接在一起。这消除了紧固件的重量和成本,这是汽车和航空航天工业的主要优势。“在航空业,为每英镑,航空公司可以冒了出来,这是一个每年节约成本1000 $,指出:”阿科玛Kepstan的经理Jason里昂,®聚醚(PEKK)业务。

但热塑性复合材料广泛采用的障碍依然存在。一方面,它们不被人们熟知或被理解为热固性材料。阿科玛公司科学总监马克·奥巴特(Mark Aubart)表示:“热固材料在复合材料和制造领域已经占据了更长的时间,因此采用一些热塑性加工技术并充分实现投资的正面回报需要不同的思路。“愿意实施这些创新技术的公司可以看到更长远的观点,并将从中受益。”

高端热塑性复合材料倾向于具有高的基体粘度,并且材料不能像一些低粘度树脂一样流动。这对纤维的浸湿产生了挑战,这会影响部件的性能和外观。

热塑性复合材料的前期成本也是有问题的。Lyons说:“如果制造商把重点放在每磅价格上,热塑性塑料的固有价值可能会被忽略。为了承受高温而开发的阿科玛的Kepstan比传统的热固性材料系统更昂贵。“我们提出我们的价值与周期时间有关。如果你正在研究制造成品而不是每磅的成本,那就是竞争力,“Lyons说。

由于许多制造商已经对热固性加工设备进行了大量投资,他们可能很难考虑花费更多的热塑性加工设备。但从长远来看,新型热塑性复合材料的许多优点可能会赢得更多的客户。

减少对环境的影响

随着越来越多的公司专注于提高其运营的可持续性,热塑性塑料的可回收性是一大益处。“使用可回收的材料比使用由不可逆转的工艺制成的材料更有意义,在生命结束时,除了将其磨碎并用作垃圾填埋或燃烧之外,没有别的办法可以做到。帝斯曼工程塑料应用开发工程师Bert Keestra说。

帝斯曼正在回收其制造的一些原型罐,用于氢和CNG热塑性复合材料压力容器的实验。将聚酰胺衬里和热塑性聚酰胺基底制成的容器在除去任何金属附件后被研磨成3毫米的薄片。然后将热塑性薄片用于制造新零件。

“我们已经测量了这些回收颗粒的性能,并将它们与原始的相当; 基本上,我们发现,我们仍然是原来的内在属性的85%,“凯斯特拉说。

帝斯曼还正在寻找其他方法使材料更具可持续性,用生物可再生原料取代某些热塑性塑料中的石油衍生单体。该公司的EcoPaXX的®是一个包含70%的生物可再生材料基于生物,高性能聚酰胺。Keestra说:“它具有零碳足迹,并且具有非常好的性能,将其用作UD胶带嵌入碳纤维的基体。

GKN Aerospace Fokker研发总监Arnt Offringa表示,热塑性塑料的可回收性是推动其在欧洲汽车行业日益普及的一个驱动因素。但奥贝尔质疑,如果在不久的将来会有足够的基础设施来支持可循环利用,以及是否有市场使用回收材料。

他表示:“未来有趣的是,有多少原始设备制造商,消费者和一级供应商开始利用热塑性塑料的可回收性。尽管人们说他们喜欢可回收的特性,但是他们并不购买热塑性塑料部件,回收处于发展和示范阶段。Offringa说:“他们购买热塑性塑料是因为它们具有高性能,而且还有一些成本优势。

如果可回收性不够,一些公司可能有兴趣尝试某些类型的热塑性塑料,因为它们不是基于苯乙烯。Lyons指出:“热塑性塑料具有消除制造过程中挥发性有机化合物的潜力。

更快的汽车周期

按照Wessner的数据,汽车和商用车是CFRT的最大用户,最典型的成分是尼龙和连续玻璃纤维。

原始设备制造商感兴趣的一个原因是热塑性复合材料的循环时间短于热固材料。IACMI-The Composites Institute的一些研究项目正在寻找缩短这些周期时间的方法。

IACMI首席技术官Uday Vaidya说:“循环时间是节能生产的重要推动力量。“IACMI生产的目标是在循环时间看90秒或更少。无论如何,热塑性塑料可以使其固化速度更快,并且可以通过纤维注射成型和高速冲压等工艺进行成型,以及对不连续和连续纤维进行压缩成型。

对于一个项目,杜邦提供热塑性树脂,而Fibertech则用该树脂涂覆纤维,然后将其编织成非常柔软的织物。普渡大学正在对材料进行建模,模拟织物的褶皱程度以及它在破裂之前可以拉伸的程度。

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PolyOne使用这个像车身一样的试件来演示如何在热成型之前将Polystrand胶带添加到热成型片材中以选择性地增强特定区域。照片来源:PolyOne
Vaidya说:“如果你想为汽车制造门板或类似的东西,这种织物具有适应性,可以将其贴在那种形状上,而且热塑性树脂可以快速加热和固化。 。“这使得生产厚度和复杂部件的周期时间非常短。

另一个IACMI项目涉及Local Motors,该公司正在试验用于生产车辆热塑性部件的增材制造。

加速采用热塑性汽车零部件的一项发展是在IACMI,明日轻质创新公司(LIFT)和密歇根大学的合资企业底特律建立了一个规模扩大的制造工厂。该设施将帮助从事热塑性复合材料项目的企业超越小型测试部件,并生产全面的部件进行研究和测试。

与此同时,帝斯曼的工程师正在做自己的实验,尝试各种纤维和汽车工业热塑性材料纤维的混合物,以及更环保的阻燃剂。他们还与一家汽车制造商合作开发了热塑性塑料零件,这些热塑性塑料零件包含具有良好延展性的帝斯曼迪尼玛®纤维和碳纤维,从而提供额外的强度。目标是减少车辆碎片飞出的可能性,这可能发生在热固性部件上。

凯斯特拉认为,替代燃料汽车可能为热塑性复合材料开辟另一个汽车市场。帝斯曼利用其专业技术与户外动力设备的油箱转移到压缩天然气的压力储存容器中。这一进化的下一步可能是为氢动力车辆提供坦克。CNG罐所使用的热塑性材料与氢气所需要的热塑性材料并没有太大的不同,但是工业界将不得不设计能够处理氢气所需的700巴工作压力的罐,而不是CNG罐需要的200巴到250巴。

Keestra说,热塑性复合材料在制造轻型常规动力车辆,电动和/或混合动力电动/氢燃料电池车辆甚至自动车辆的所有类型零件方面可以发挥许多作用。现在进入车辆的传感器和电缆的重量增加将使汽车制造商在其他任何地方减轻重量是必不可少的。“轻量级相机,电缆和连接器确实有意义,”他补充说。

韧性的航空航天

航天制造商是LFRT技术的早期采用者。今天,工业上最典型的热塑性组合物是PEEK(聚醚醚酮)或含碳的PEI(聚醚酰亚胺),根据Wessner,它可以是机织织物或单向纤维。

Offringa说,GKN Aerospace Fokker公司为飞机制造了一系列热塑性复合材料产品,包括用于各种湾流喷气机的地板,方向舵和升降舵,波音阿帕奇直升机的航空电子外壳部件以及莱昂纳多直升机的水平尾翼。

该材料具有两个不同的特征,使其对航空航天具有吸引力。“热塑性聚合物可以熔化,然后反复重塑。Offringa说:“这样就可以实现诸如肋条的冲压成形和装配焊接等工艺。热塑性塑料还提供高水平的材料韧性,这转化成具有改善的耐损伤性的较低重量的结构。对于飞机操纵面和机身等薄型结构来说,这一点特别重要。

虽然过去热塑性复合材料航空航天部件的尺寸相对较小,但这种情况正在发生变化。Offringa说:“今天,我们正在向热塑性塑料的大型一级结构迈进,无论是商用飞机市场还是客机市场。这将需要引入诸如自动化叠层和高速焊接技术等工艺。Offringa说,这也意味着使用单向胶带代替织物基材料,以及新的设计概念,如对接式加强筋。

设计新市场

不仅是航空航天和汽车制造商正在寻找LFRT和CFRT可提供的性能。PlastiComp公司首席执行官Steve Bowen说:“体育和休闲市场是正在向更高性能的行业发展的主要例子。“他们对材料的成本不太敏感。这些人正在试图赢得更高的水平或表现。如果收益显而易见,他们不会介意花更多的钱去捕捉性能优势。“

医疗设备制造商也正在利用热塑性复合材料的强度和轻量性能。生产轮椅脚轮的青蛙腿用PlastiComp的长碳纤维增强热塑性复合材料取代了其脚轮中的铝。热塑性塑料注射成型工艺使制造商能够生产更加复杂的形状,从而减少了轮椅使用者的振动,并将一对脚轮的重量减轻了三分之一(半磅)。PlastiComp目前正致力于改进热塑性复合材料的加工技术。“你如何制造更大的零件?你如何设计这个过程?我们正在研究挤压线条形状; 这将是一个新的市场,“鲍恩说。通过挤出生产的材料的应用可以包括击剑,

帝斯曼正在与电子行业合作,提供非常薄的智能手机框架和连接器。Keestra说:“你必须确保你调整好材料,使它们能够容易地被塑造成这些结构。“你需要确保特性粘度(材料流入模具的方式)得到优化,以实现良好的性能。”

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帝斯曼使用热塑性材料制造压缩天然气(CNG)的加压储存容器。照片来源:帝斯曼
为了鼓励新市场中的制造商使用复合材料而不是金属,材料供应商不断开发具有专门性能的热塑性材料。例如,阿科玛开发了三种面向特定用途的新产品。Kepstan可以在航空航天和其他行业正在寻找极端温度抗性,低烟毒性和其能接近260度C.公司的Rilsan一个连续使用温度下使用®矩阵,单向聚(PPA)的磁带,是为重量轻,结构创建汽车零部件,并且可以在石油,天然气和化学工业中找到一个家,因为它具有比短链聚酰胺热塑性塑料更好的耐水解性和更好的机械性能。

阿科玛还设计Elium ®液体热塑性树脂,其处理等热固性但提供热塑性性能。它具有低粘度的热固性,以各种不同的加工方法润湿纤维,并在室温下像热固性树脂一样进行加工。但是在固化之后,它保留了热塑性塑料的特性。业务开发经理Dana Swan表示,该材料可用于通过高压RTM生产的汽车零部件,用于使用拉挤成型制造的建筑,建筑和汽车零部件以及通过真空灌注工艺制造的船体和甲板。

教育过程

Offringa说:“作为一种技术的热塑性复合材料正处于其生命周期S曲线的开始阶段,具有巨大的应用潜力。经过数十年对汽车行业的最初开发和应用,他表示,大多数原始设备制造商现在对市场的接受度很高。

然而在其他行业,热塑性塑料制造商需要做一些工作来鼓励进一步采用。Wessner表示:“我们看到了提高客户对热塑性复合材料知识的努力,以便他们能够更好地设计出最大的价值。

增长的另一个决定性因素是复合材料行业如何能够平衡成本和性能。Wessner补充说:“他们希望从普通树脂基础上充分利用这些材料,以避免成本更高的工程热塑性塑料。

她预计热塑性复合材料技术的进步将在几个方面进行:材料开发,工艺技术和设计。“有更积极和有意的系统发展,使制造商能够利用今天的热塑性塑料,包括开发的设备,可以结合成型片材与注塑包覆成型或设备,可以适应其他多材料,多步骤的方法,”她说。

最终,热塑性复合材料进入新市场的冲击很可能取决于这些行业的制造商对于热塑性塑料最大的优势是多少:以更轻的重量提高结构性能。

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