國際碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)材一線動態(tài)
日本Takagi Seico公司開發(fā)出超輕量且高剛性的無縫結(jié)構(gòu)CFRTP，部件的端部一方面在曲面上包入連續(xù)纖維的熱塑性預(yù)浸料，另一方面通過芯背成型使成型品內(nèi)部形成發(fā)泡體。這種超輕量、高強(qiáng)、高剛性的無縫結(jié)構(gòu)體是通過一次擠出的發(fā)泡成型工藝制得，整個(gè)成型體具有優(yōu)良的物性。為了減少高價(jià)碳纖維的用量，制成以發(fā)泡體作為芯材的三明治結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已用于本田車的燃料電池部件，并申請專利。
積水化學(xué)獨(dú)自開發(fā)出特殊處理液，將碳纖維絲束進(jìn)行開纖，低黏度的處理液浸入絲束內(nèi)部后，通過一定的熱處理，使處理液成分聚合和碳化，起到隔離板的作用，而且即使高黏度的樹脂也可實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率浸漬，成功地實(shí)現(xiàn)彎曲加工，如高黏度的PEEK浸漬24K碳纖維織物，碳纖維的容積率提高到了60%。在要求難燃、低冒煙和低毒性的場合，開發(fā)出碳纖維增強(qiáng)聚氯乙烯 ( PVC) 。
Daicel Evonik公司提出了新的方案，將PEEK為基體的CFRTP與PEEK的擠出成型相組合，即將PEEK粉體半浸漬的碳纖維半浸料體進(jìn)行內(nèi)部成型，再通過擠出時(shí)的熱壓，使之在模具內(nèi)完全浸漬，并可形成一體成型品，可用于飛行器一次結(jié)構(gòu)材料，強(qiáng)度和剛性可滿足要求，也可應(yīng)用于醫(yī)療器械，而且由于提高了強(qiáng)度、耐熱性和輕量化，可改善操作性。
在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料方面，德國Kovestro公司生產(chǎn)的碳纖維和玻纖等增強(qiáng)聚碳酸酯 “Maezio”，因具有優(yōu)良的強(qiáng)度、成型加工性、再生性和漂亮的外觀，在我國的家電外殼、體育休閑用品和運(yùn)動鞋等市場中不斷擴(kuò)大。該公司在德國投資數(shù)千萬歐元，擴(kuò)大生產(chǎn)百萬個(gè)單元的制品，應(yīng)用于全球的電子電機(jī)產(chǎn)業(yè)、汽車、家電、家具、醫(yī)療器材、體育用品和運(yùn)動鞋。
美國杜邦、Fibertec和Purdue大學(xué)組成的國際合作復(fù)合材料研究院 IACMI，聯(lián)合開發(fā)了新的CFRTP制造方法，改進(jìn)了織物的可成型性，可更容易和更安全地生產(chǎn)CFRTP。起始材料采用Fibertec的柔軟涂覆碳纖維束Fiberflex，是將碳纖維部分浸漬于熱塑性聚酰胺中，然后用杜邦的快速織物成型 ( RFF) 技術(shù)進(jìn)行加工。在熱和壓力下，F(xiàn)iberflex 預(yù)成型體迅速固化成無微孔的復(fù)合材料，當(dāng)選用12K碳纖維時(shí)，可形成5 mm寬、0.3mm厚的易加工成預(yù)成型體的帶狀預(yù)浸料。其有利于大量生產(chǎn)接近于最終形狀的預(yù)成型體和CFRP部件，設(shè)計(jì)自由度高，生產(chǎn)成本低，可減少所需上漿劑。
三井化學(xué)試制了碳纖維增強(qiáng)聚丙烯帶“TAFNEX”及其成型品，與熱固型的CFRP相比，成型時(shí)間短，可通過熱融粘合進(jìn)行2次成型。由于其強(qiáng)度高、低吸水和質(zhì)量輕，后用于生產(chǎn)自行車和汽車部件。
日本Sankorona小田公司研發(fā)出碳纖維無規(guī)片材增強(qiáng)熱塑性環(huán)氧樹脂片材，因其預(yù)浸料 Flexcarbon具有優(yōu)良的賦形性和表面特性，在壓制成型時(shí)易進(jìn)行加工處理，市場不斷擴(kuò)大。這種極薄的單向 ( UD) 帶切斷后，將20層層壓成厚2mm的片材，在模具中進(jìn)行紡熱和冷成型時(shí)，由于纖維和樹脂同時(shí)流動，賦形性好，1 min后即成型，研磨后表面平滑性優(yōu)，計(jì)劃1-2年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
日本福井Fibertek公司與法國CQFD 復(fù)合材料公司成立合作公司，引進(jìn) CFRTP 拉擠成型技術(shù)而進(jìn)入該領(lǐng)域。CQFD 擁有碳纖維或玻纖浸漬己內(nèi)酰胺的現(xiàn)場快速聚合、直接拉擠成型制成碳纖維增強(qiáng)尼龍6UD帶材的技術(shù)。2019年將引進(jìn)采用超聲波開纖技術(shù)的UD帶材的生產(chǎn)設(shè)備，然后根據(jù)需要裁剪并鋪層成無規(guī)則的CFRTP材料，同時(shí)還可選用熱固型樹脂生產(chǎn) CFRP拉擠成型材料。
東洋樹脂公司與文殊工學(xué)醫(yī)學(xué)研究所共同開發(fā)采用兩種樹脂基體作為基材的高質(zhì)量 CFRTP的制造技術(shù)，是將直徑7μm的碳纖維在超聲波配合下，均勻浸漬于含粒徑0. 03μm 的低黏度聚氨( PU) 酯微粒的乳液中，干燥固化后在其表面上像包電線那樣覆上一層易進(jìn)一步加工的聚丙烯 ( PP)。兩種樹脂占纖維的體積率為50%，其中PP為 40%、PU為 10%，適用于汽車部件等，于2016年共同取得專利，并在歐美和中國申請專利。
大阪瓦斯化學(xué)公司研發(fā)出一種提高樹脂流動性的助劑“QGSOL MF－11”，并適用于 CFRTP 的壓制成型，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車底盤、傳動軸和電子等部件。MF－11 適用于尼龍6、PU等可緩和分子間形成氫鍵而提高流動性的熱塑性樹脂基體。
在自動化技術(shù)開發(fā)方面，法國 Coriolis 復(fù)合材料公司開發(fā)了碳纖維等的自動鋪放系統(tǒng) ( AFP)，助力研發(fā)三維的CFRTP 部件。該AFP 已提供給美國威大可塔州立大學(xué)的國家研究所 ( NIAR)，助推其三維CFRTP所需部件的開發(fā)，并以此向全球推廣。
——摘自羅益峰的《處于戰(zhàn)略機(jī)遇期的全球碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)》，《高科技纖維與應(yīng)用》2019年第2期。
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積水化學(xué)獨(dú)自開發(fā)出特殊處理液，將碳纖維絲束進(jìn)行開纖，低黏度的處理液浸入絲束內(nèi)部后，通過一定的熱處理，使處理液成分聚合和碳化，起到隔離板的作用，而且即使高黏度的樹脂也可實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率浸漬，成功地實(shí)現(xiàn)彎曲加工，如高黏度的PEEK浸漬24K碳纖維織物，碳纖維的容積率提高到了60%。在要求難燃、低冒煙和低毒性的場合，開發(fā)出碳纖維增強(qiáng)聚氯乙烯 ( PVC) 。
Daicel Evonik公司提出了新的方案，將PEEK為基體的CFRTP與PEEK的擠出成型相組合，即將PEEK粉體半浸漬的碳纖維半浸料體進(jìn)行內(nèi)部成型，再通過擠出時(shí)的熱壓，使之在模具內(nèi)完全浸漬，并可形成一體成型品，可用于飛行器一次結(jié)構(gòu)材料，強(qiáng)度和剛性可滿足要求，也可應(yīng)用于醫(yī)療器械，而且由于提高了強(qiáng)度、耐熱性和輕量化，可改善操作性。
在連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料方面，德國Kovestro公司生產(chǎn)的碳纖維和玻纖等增強(qiáng)聚碳酸酯 “Maezio”，因具有優(yōu)良的強(qiáng)度、成型加工性、再生性和漂亮的外觀，在我國的家電外殼、體育休閑用品和運(yùn)動鞋等市場中不斷擴(kuò)大。該公司在德國投資數(shù)千萬歐元，擴(kuò)大生產(chǎn)百萬個(gè)單元的制品，應(yīng)用于全球的電子電機(jī)產(chǎn)業(yè)、汽車、家電、家具、醫(yī)療器材、體育用品和運(yùn)動鞋。
美國杜邦、Fibertec和Purdue大學(xué)組成的國際合作復(fù)合材料研究院 IACMI，聯(lián)合開發(fā)了新的CFRTP制造方法，改進(jìn)了織物的可成型性，可更容易和更安全地生產(chǎn)CFRTP。起始材料采用Fibertec的柔軟涂覆碳纖維束Fiberflex，是將碳纖維部分浸漬于熱塑性聚酰胺中，然后用杜邦的快速織物成型 ( RFF) 技術(shù)進(jìn)行加工。在熱和壓力下，F(xiàn)iberflex 預(yù)成型體迅速固化成無微孔的復(fù)合材料，當(dāng)選用12K碳纖維時(shí)，可形成5 mm寬、0.3mm厚的易加工成預(yù)成型體的帶狀預(yù)浸料。其有利于大量生產(chǎn)接近于最終形狀的預(yù)成型體和CFRP部件，設(shè)計(jì)自由度高，生產(chǎn)成本低，可減少所需上漿劑。
三井化學(xué)試制了碳纖維增強(qiáng)聚丙烯帶“TAFNEX”及其成型品，與熱固型的CFRP相比，成型時(shí)間短，可通過熱融粘合進(jìn)行2次成型。由于其強(qiáng)度高、低吸水和質(zhì)量輕，后用于生產(chǎn)自行車和汽車部件。
日本Sankorona小田公司研發(fā)出碳纖維無規(guī)片材增強(qiáng)熱塑性環(huán)氧樹脂片材，因其預(yù)浸料 Flexcarbon具有優(yōu)良的賦形性和表面特性，在壓制成型時(shí)易進(jìn)行加工處理，市場不斷擴(kuò)大。這種極薄的單向 ( UD) 帶切斷后，將20層層壓成厚2mm的片材，在模具中進(jìn)行紡熱和冷成型時(shí)，由于纖維和樹脂同時(shí)流動，賦形性好，1 min后即成型，研磨后表面平滑性優(yōu)，計(jì)劃1-2年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。
日本福井Fibertek公司與法國CQFD 復(fù)合材料公司成立合作公司，引進(jìn) CFRTP 拉擠成型技術(shù)而進(jìn)入該領(lǐng)域。CQFD 擁有碳纖維或玻纖浸漬己內(nèi)酰胺的現(xiàn)場快速聚合、直接拉擠成型制成碳纖維增強(qiáng)尼龍6UD帶材的技術(shù)。2019年將引進(jìn)采用超聲波開纖技術(shù)的UD帶材的生產(chǎn)設(shè)備，然后根據(jù)需要裁剪并鋪層成無規(guī)則的CFRTP材料，同時(shí)還可選用熱固型樹脂生產(chǎn) CFRP拉擠成型材料。
東洋樹脂公司與文殊工學(xué)醫(yī)學(xué)研究所共同開發(fā)采用兩種樹脂基體作為基材的高質(zhì)量 CFRTP的制造技術(shù)，是將直徑7μm的碳纖維在超聲波配合下，均勻浸漬于含粒徑0. 03μm 的低黏度聚氨( PU) 酯微粒的乳液中，干燥固化后在其表面上像包電線那樣覆上一層易進(jìn)一步加工的聚丙烯 ( PP)。兩種樹脂占纖維的體積率為50%，其中PP為 40%、PU為 10%，適用于汽車部件等，于2016年共同取得專利，并在歐美和中國申請專利。
大阪瓦斯化學(xué)公司研發(fā)出一種提高樹脂流動性的助劑“QGSOL MF－11”，并適用于 CFRTP 的壓制成型，現(xiàn)已應(yīng)用于汽車底盤、傳動軸和電子等部件。MF－11 適用于尼龍6、PU等可緩和分子間形成氫鍵而提高流動性的熱塑性樹脂基體。
——摘自羅益峰的《處于戰(zhàn)略機(jī)遇期的全球碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)》，《高科技纖維與應(yīng)用》2019年第2期。
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