增強熱塑性復(fù)合材料的發(fā)展趨勢
2020-02-28
多年來，增強型熱塑性塑料一直用于汽車市場，主要用于非結(jié)構(gòu)的內(nèi)部部件。但是現(xiàn)在，熱塑性復(fù)合材料正在進入新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，因為制造商們都在努力生產(chǎn)更輕、更堅固、可以快速生產(chǎn)、后成型和可回收的部件。
熱固性塑料在整個市場上廣泛銷售，但更多的結(jié)構(gòu)性熱固性塑料正在汽車用于車輛輕量化的道路上。此外，由于航空航天在過去五年采用了更多的熱塑性復(fù)合材料，它們在行業(yè)中的整體作用已經(jīng)開始發(fā)生了變化。在航空航天中使用熱塑性塑料向其他行業(yè)證明了這種材料的應(yīng)用。與此同時，也增加了設(shè)計師和工程師們的經(jīng)驗，因此他們能夠利用這種材料來設(shè)計其他產(chǎn)品。如今，增強型熱塑性塑料的應(yīng)用已經(jīng)擴展到結(jié)構(gòu)汽車零部件、石油和天然氣、電子、基礎(chǔ)設(shè)施和船舶應(yīng)用上。
塑性塑料的案例
熱塑性復(fù)合材料用于要求高硬度（剛度）和沖擊強度，以及溫度、濕度和化學(xué)抗性的應(yīng)用。在許多情況下，熱塑性塑料是高產(chǎn)量、輕量化或斷裂韌性應(yīng)用的極佳解決方案。
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性塑料的一步固化過程不需要催化劑、烘箱或高壓釜。這種快速固化循環(huán)是熱塑性復(fù)合材料在注塑等大批量生產(chǎn)方法中應(yīng)用的原因。熱塑性聚合物在固化后不會發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，因此可以進行重熔和重整。這提供了獨特的后成型能力，并解決了熱固性復(fù)合材料不能循環(huán)利用的弊端。事實上，許多人認為其可回收性是未來增長的關(guān)鍵。
Polystrand于2016年被普立萬（PolyOne）所收購，該公司因為熱塑性復(fù)合材料的可回收性，于2001年開始研究這種材料。“當時，人們對回收非常關(guān)注——現(xiàn)在依然如此。”曾供職于Polystrand公司、現(xiàn)任Gordon Development總裁的邁克?戈登表示。
“熱固性復(fù)合材料非常、非常難以回收。我們認為未來可以用熱塑性復(fù)合材料制造產(chǎn)品，并利用制造副產(chǎn)品來制造其他產(chǎn)品。阿科瑪（Arkema）的Elium?產(chǎn)品線業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理戴娜?斯萬對此表示贊同。她指出目前歐盟（EU）和亞洲的汽車標準要求汽車幾乎完全是可回收的?！艾F(xiàn)在是歐盟，但我相信類似的標準正在進入美國。熱固性塑料的可回收性取得了很大進步，但實現(xiàn)真正獲得可回收，就必須選擇熱塑性塑料?！?/span>
美國緬因州大學(xué)（University of Maine）阿爾豐德結(jié)構(gòu)熱塑性高級制造實驗室（Alfond Advanced Manufacturing Lab for Structural Thermoplastics）的目標是通過開發(fā)創(chuàng)新的制造工藝來提高結(jié)構(gòu)熱塑性塑料的市場占有率，以減少循環(huán)時間、減少浪費，提高可重復(fù)性和部件質(zhì)量。
六個關(guān)鍵趨勢
在過去十年中，熱塑性材料和工藝的發(fā)展為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了更加復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)件，為高性能應(yīng)用和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料創(chuàng)造了新的先進材料，以及利用這者的混合工藝。以下是熱塑性復(fù)合材料發(fā)展的六個關(guān)鍵方面。
1、長纖維增強熱塑性塑料
大多數(shù)熱塑性復(fù)合材料都是采用非連續(xù)纖維注塑成型而成。短纖維（小于1毫米）已經(jīng)在汽車行業(yè)的熱塑性復(fù)合材料中使用了幾十年。最近，長纖維增強熱塑性塑料（LFRTs）從1毫米英寸到25.4毫米已經(jīng)進入市場。長纖維增強熱塑性塑料為克服短纖維增強熱塑性塑料中的纖維長度缺陷，彌補其力學(xué)性能的不足而研發(fā)的更新材料。
FRTs一般以聚丙烯、聚酰胺（尼龍）、PET、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等熱塑性塑料作為基體材料；以玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維作為增強材料。用連續(xù)纖維無捻粗紗與熱塑性塑料通過擠出、造?；蛑破椒ㄖ瞥砂氤善罚俳?jīng)注射或模壓成型為制品。
直接擠出混煉（DLFT）是一種較新的加工技術(shù)，可提供長纖維而不會熔化預(yù)成型顆粒。在三步法中，DLFT將樹脂（通常為聚丙烯）與任何添加劑混合，將連續(xù)纖維粗紗直接切割成樹脂，然后將部分增強材料以面團狀或“圓面包”的形式擠壓到壓縮模具中。這樣就可以控制纖維的長度。
長纖維可以用更少的材料提高強度。航空航天制造商是LFRT技術(shù)的早期采用者。如今LFRTs已開始在汽車市場上蓬勃發(fā)展，不僅因為輕量化優(yōu)勢，而且因為它們易于加工。長纖維注塑成型還可提供更好的蠕變沖擊和抗疲勞。LFRT的發(fā)展主要由汽車工業(yè)所推動，另外在消費品和工業(yè)品市場也將會有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
2、連續(xù)纖維增強熱塑性塑料（CFRT）
連續(xù)纖維增強熱塑性塑料（CFRT）的產(chǎn)品形式有纖維預(yù)浸帶、織物預(yù)浸料、復(fù)合紗、拉擠產(chǎn)品等。玻璃纖維和碳纖維是制作連續(xù)纖維增強熱塑性塑料的主要增強材料，樹脂主要采用聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。
航天工業(yè)的發(fā)展是推動連續(xù)纖維增強熱塑性塑料發(fā)展的巨大動力。由于連續(xù)纖維增強熱塑性塑料具有較高的韌性和損傷容限，以及優(yōu)異的高溫使用性能，使得該材料一問世引起航空工業(yè)的極大關(guān)注，并開始在飛機的應(yīng)用中顯示出了優(yōu)越性。另外，連續(xù)纖維增強熱塑性塑料近年來在汽車、體育器械、運輸、工業(yè)、醫(yī)療、船艇等市場的應(yīng)用也逐步擴大。
普立萬（PolyOne?）Advanced Composites的高級技術(shù)顧問埃德皮?爾佩爾表示：CFRT預(yù)浸材料的引入顯著提高了熱塑性復(fù)合材料的抗沖擊性。這反過來又刺激了Polystrand連續(xù)玻璃纖維增強聚丙烯等材料在運輸、建筑和施工以及防彈保護等市場中的新應(yīng)用。
應(yīng)用之一是卡車襯里。多年來，卡車內(nèi)襯都是用玻璃纖維增強聚酯熱固性塑料制成的，很容易損壞。熱塑性塑料襯里的防刺穿行更強。它們會比聚酯熱內(nèi)襯更禁用，現(xiàn)在大多數(shù)公司已經(jīng)完全轉(zhuǎn)向熱塑性復(fù)合材料。例如，歐洲一家汽車制造商在其越野車的后座系統(tǒng)中采用了該材料。朗盛Tepex dynalite提供了連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料半成品。制造商在車輛后座中間安裝了負載，實現(xiàn)了座位靠背的獨立折疊。該裝載組件經(jīng)Tepex dynalite成型并反向注入注塑模具而制成。“該組件標志著這款復(fù)合材料（即Tepex dynalite）進軍后座系統(tǒng)輕量化設(shè)計領(lǐng)域，進一步證明其具有批量生產(chǎn)應(yīng)用的巨大潛力?！崩适⒓夹g(shù)市場及業(yè)務(wù)拓展Tepex汽車組負責(zé)人亨里克·普拉根堡說道。
3、工程聚合物
工程樹脂——包括長、短碳纖維增強聚酰胺和高性能聚酞胺——的膨脹是熱塑性復(fù)合材料推廣的關(guān)鍵驅(qū)動力。與不太昂貴的商品樹脂不同，工程聚合物在高溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能，增加了硬度和韌性，并具有較低的蠕變。這使得它們成為更多金屬到塑料結(jié)構(gòu)部件的理想選擇。
數(shù)十年來，汽車行業(yè)一直在使用“漂亮的聚合物”——丙烯腈、丁二烯、苯乙烯和聚碳酸酯——來制造美觀的內(nèi)部復(fù)合部件，如內(nèi)飾?，F(xiàn)在，汽車制造商正轉(zhuǎn)向聚苯二甲酰胺（PPA）熱塑性和碳纖維增強聚酰胺復(fù)合材料的更多結(jié)構(gòu)部件。例如，福特使用Ultramid?短碳纖維聚酰胺生產(chǎn)謝爾比GT350野馬的底盤部分，并展示了長碳纖維聚酰胺的先進動力系統(tǒng)零件。
PPA之所以重要，是因為它們能夠?qū)⒁郧安豢赡軐崿F(xiàn)的較重的鋼鐵部件轉(zhuǎn)換為較輕的復(fù)合材料部件。工程塑料將在幫助原始設(shè)備制造商成本有效地滿足排放和燃油效率標準方面發(fā)揮重大作用。先進的熱塑性聚合物復(fù)合材料也使許多數(shù)字技術(shù)成為可能，包括先進的駕駛員輔助系統(tǒng)，這些系統(tǒng)旨在自動化和提高車輛系統(tǒng)的安全性。PPAs用于制造這些系統(tǒng)所需的許多檢查部件和電氣連接，因為它們體積小、薄、輕，并且具有高溫公差，因此可以在小空間中安全地組裝在一起。
4、玻璃纖維氈增強熱塑性熱塑片材
玻璃纖維氈增強熱塑性熱塑片材（GMT）是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強骨架的板片狀結(jié)構(gòu)材料。塑料主要使用聚丙烯，也可使用PET、PBT或聚碳酸酯。GMT采用高速壓機或沖壓機成型為制品。
GMT材料力學(xué)性能好，成型周期短，生產(chǎn)成本低，可模制較大的、形狀復(fù)雜的部件且尺寸穩(wěn)定性好，選用按所要求尺寸預(yù)先切好的GMT，就有可能達到50-300N/mm2范圍內(nèi)的強度，模壓好的GMT部件幾乎是各向同性的，對于所有類型的沖擊都具有良好的強度，其最終產(chǎn)品沒有焊縫，而且可回收利用。GMT材料以其優(yōu)于熱固性材料的性能和良好的性能價格比在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，同時也具有減輕質(zhì)量、降噪的效能，可用于制造保險杠橫梁、儀表板骨架、發(fā)動機罩蓋、防石擊罩、座椅骨架、電瓶托架、車廂底板、輪罩、行李架和車頂棚等多種車用零部件。
在建筑工業(yè)中GMT可取代金屬制作建筑模板。這種GMT模板具有質(zhì)輕、剝離性好，結(jié)構(gòu)一體化、制件表面光潔等優(yōu)點；在交通運輸業(yè)中用GMT片材在集裝箱的底板上作內(nèi)襯，可大大減少維護保養(yǎng)費用；也可用 GMT片材作蒙皮，高強泡沫作夾芯取代硬木及金屬制造集裝箱。哈爾濱玻璃鋼研究所獨立開發(fā)應(yīng)用了全復(fù)合材料絕緣梯配件、配電盒、泵蓋、油田用機箱底板和軸承端蓋等。
雖然不像注塑那樣廣泛使用，但壓縮成型可以是一種成本較低的替代方法。皮爾說：“它不會像注塑那樣快，但如果你制造的零件更少，制作模具的成本就會低得多。”
壓縮成型還可以生產(chǎn)更高纖維的零件。阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的材料加工和應(yīng)用開發(fā)中心采用了選擇性增強的壓縮成型技術(shù)，使纖維含量達到65%到70%，這與注射成型零件通常達到30%到40%的纖維含量形成了鮮明的對比。更高的纖維含量可以幫助最大限度地提高性能，特別是剛度。在應(yīng)用中，這點十分重要。
大量的努力，以提高壓縮成型速度的結(jié)構(gòu)件正在進行中。美國緬因州大學(xué)的阿爾豐德實驗室正與工業(yè)界合作，演示自動鋪帶（ATL）與壓縮成型相結(jié)合的效果。該實驗室使用ATL機器在超聲波焊接和模壓成型之前，快速地在不同方向上鋪設(shè)預(yù)先加固的結(jié)構(gòu)膠帶。該實驗室利用這一過程開發(fā)了一種汽車差速器蓋的原型。
與此同時，總部位于法國的行業(yè)聯(lián)盟IRT-M2P開發(fā)了一種名為快速RTM的創(chuàng)新處理方法。該樹脂轉(zhuǎn)移成型工藝使汽車和航空航天工業(yè)的結(jié)構(gòu)熱塑性塑料和熱固性復(fù)合零件的兩分鐘循環(huán)生產(chǎn)成為可能。
去年，該協(xié)會成員阿科瑪（Arkema）推出了Elium，這是第一種可以在室溫下固化的液體熱塑性塑料。與熱固性材料一樣，它也可以使用引發(fā)劑的兩步法固化。快速RTM平臺將Elium注入CFRT，并在Pinette P.E.I.短沖程ECS-Press中進行模壓。由于Elium是一種液體反應(yīng)體系，不需要加熱到與其他熱塑性塑料相同的高溫，該工藝可用于成型凈形狀的CFRP熱塑性零件。
阿科瑪公司說，Elium樹脂聚合速度快，可以在汽車工業(yè)和其他行業(yè)中用作結(jié)構(gòu)件和裝飾材料。阿科瑪指出，Elium樹脂是一種多功能的、輕質(zhì)的、易于使用和性能優(yōu)異的復(fù)合材料。它們是基于傳統(tǒng)的已經(jīng)被生產(chǎn)者使用的技術(shù)和工藝。該公司聲稱，在具有相同強度的前提下，Elium復(fù)合材料制作的部件比鋼制的同一部件輕30-50%。當結(jié)合阿科瑪?shù)腖UPEROX過氧化物催化劑，Elium可以被塑造成復(fù)雜的形式，還可以與玻璃纖維或碳纖維混合使用。它也能與傳統(tǒng)的熱固性樹脂轉(zhuǎn)化技術(shù)兼容（RTM，彎曲成型），降低了轉(zhuǎn)化的成本。
熱塑性塑料的未來
熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛。隨著工業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)尋找用更輕的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料替代金屬的方法，熱塑性復(fù)合材料越來越受到關(guān)注。熱塑性復(fù)合材料部件的全壽命分析值更佳。它們不僅可以用于輕型車輛和其他用途，而且因為它們更輕，在較低的溫度下熔化，它們在加工、運輸和回收過程中消耗的能源要比金屬少得多。
未來，多專業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的聯(lián)合開發(fā)己經(jīng)成為一種有效的、快速的、互惠共利的協(xié)同發(fā)展模式；新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備趨向更加成熟與廣泛應(yīng)用；FRT材料數(shù)據(jù)庫建立、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算機仿真CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用。CFRT材料越來越多的應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)之一是，如何設(shè)計出具有高可靠性、易于制造的產(chǎn)品。缺乏可靠運行FEA和流程建模軟件所需的數(shù)據(jù)，以生成設(shè)計界所需的信息。
熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)迅速得到了全世界的認可，它可以替代很多材料，如壓鑄件、金屬組裝件、市場中的傳統(tǒng)塑料，包括工業(yè)設(shè)備、汽車、消費品等。高沖擊強度、更好的表面質(zhì)量、低產(chǎn)品報廢率、在高溫和零下溫度環(huán)境中的高剛性、在嚴酷環(huán)境和恒定載荷下的抗蠕變性使熱塑性復(fù)合材料市場比熱固性和金屬材料市場更加有利可圖。性價比的優(yōu)勢讓熱塑性復(fù)合材料在航空航天與國防、交通運輸、電氣電子行業(yè)更具吸引力。
大規(guī)模的工業(yè)在未來將繼續(xù)要求自動化，熱塑性復(fù)合材料天生就適合自動化生產(chǎn)。自動化顯然是許多復(fù)合材料制造商目前面臨的一個大問題。然而，熱塑性塑料最終會解決這個問題。
來源：榮格塑料工業(yè)
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