高性能、可持续性的增强塑料

无论是提高强度、改善刚度，还是开辟系统减重和降低成本的机会，聚合物增强材料都是复合材料发展的关键。由于其可用性、多功能性和成本优势，玻璃一直是传统上最常见的增强材料，但如今有越来越多的替代选择，包括原生和再生碳纤维以及广泛的天然和矿物纤维。本文将介绍一些最新的产品和应用工艺。

在汽车行业，许多金属部件已经被玻璃纤维增强塑料所取代，这在很大程度上是由于减轻重量、改善燃油消耗以及减少二氧化碳排放的需要。例如，去年9月，Sumika Polymer Compounds Europe与一级供应商Flex-N-Gate Europe合作，为Stellantis的新款DS4掀背车生产了短玻璃纤维增强PP内尾门饰件。

该材料必须满足一些非常特殊的要求，包括能够接受金属插入件和固定装置，同时在很长的流动长度上提供均匀的玻璃纤维分散，保持良好的机械性能以及满足OEM颜色和UV规格的A级表面光洁度。

Sumika将母公司住友化学（Sumitomo Chemical）的高流量PP等级与短玻璃纤维结合，使用先进的上浆和粘合技术，开发出满足要求的定制Thermofil HP化合物。据该公司介绍，这种可回收的化合物超过了传统的长玻璃纤维（LFT）PP化合物的机械性能，并将循环时间缩短了5%，有助于节省能源。

Sumika表示，其Thermofil HP和再生聚丙烯（GF-rPP）Thermofil Circle化合物为汽车制造商提供了与PA等现有工程塑料相当的性能，但具有可持续性优势。“我们的Thermofil短玻璃纤维增强PP化合物具有与传统工程塑料相当的性能，同时碳足迹低得多，这使得它们非常适合应对可持续电动汽车带来的设计挑战。”SPC Europe营销经理Bruno Pendélio说道。

虽然玻璃增强部件在性能方面提供了许多好处，但一个潜在的缺点是在注塑过程中增加了翘曲的趋势。日本Nittobo公司利用其专有的FlatFiber（FF）技术，开发了一种截面改进的短切玻璃纤维。与具有圆形截面的传统纤维相比，该公司的FF产品具有椭圆形截面。测试表明，FF的物理性能优于传统纤维，而扁平轮廓的其他优点包括较低的翘曲度和更高的尺寸稳定性。该公司表示，这些品质简化了加工过程，并可以提高抗冲击和耐热性。

日本也是Fleka和Fineflake玻璃片的长期用户，这两种玻璃片由NSG集团生产，由Dreytek在美国销售。据说，薄片可以提高注塑件和挤压件的强度和刚度，同时最大限度地减少收缩和翘曲问题。这是由于玻璃薄片倾向于平行于树脂表面，这意味着它们不仅在流动方向（MD方向）而且在横向方向（TD方向）上提供了一定程度的尺寸变化。Dreytek表示，MD收缩率/TD收缩率接近于1。

翘曲的控制

根据Dreytek的说法，可以使用标准玻璃纤维和矿物填料来控制翘曲，但这可能会导致机械性能的一些损失。“通过使用Fleka和Fineflake，消除了在机械性能和零件翘曲/收缩之间进行权衡的需要。这些玻璃片增强材料是真正的问题解决者。”Dreytek北美业务经理Liz Gershon说。Fleka和Fineflake采用NSG的专有制造技术生产，以控制玻璃片的厚度（Fleka为5.0 μm, Fineflake为0.7 um）。

它们通常用于需要尺寸稳定性和机械性能混合的应用中，包括电子连接器等小型组件，其中精确配合至关重要，特别是当连接器暴露于热循环中时。其他应用还包括大型薄壁平板零件。

特种化学品制造商麦可门（Michelman）开发了施胶产品，以改善聚合物基体与增强纤维（如玻璃）之间的界面附着力，该公司报告了该行业的一些主要发展趋势。“两个新兴的发展领域正在同时发生，有助于推动整个复合材料行业的创新。”公司复合材料全球营销总监Steve Bassetti说道。

“其中包括能够将连续纤维技术用于热塑性复合材料的工艺的出现，以及不断扩大的纤维品类，包括玄武岩和天然纤维。”他说，“这些发展共同创造了发展复合材料市场并满足社会对可持续发展日益增长的兴趣的新机会。连续纤维形式，例如热塑性单向带和有机片材，能够精确定位结构加固，并且使设计人员能够满足应用的严苛挑战，同时在使用寿命结束时提供潜在的回收利用。”

Sumika 表示，其 Thermofil HP 短玻璃增强复合材料在 Stellantis尾板应用中的性能优于 LFT。

玻璃纤维的生产是一个相对能源密集型的过程，但该行业一直在努力将其降至最低。欧洲玻璃纤维生产商协会今年早些时候发布的一份涵盖连续玻璃纤维生产的生命周期评估（LCA）显示，2015年至2021年间，欧洲工业生产1公斤连续玻璃长丝的一次能源消耗平均减少了8.1%，温室气体排放平均减少了3.2%。该报告基于来自欧盟、英国和挪威11家工厂的2021年制造数据，报告还指出，2021年，该行业44%的生产废物被回收利用，比2015年增加了26%。

“我们知道，对我们的行业来说，走向气候中和的旅程非常具有挑战性，但也令人兴奋。”欧洲玻璃纤维公司总裁Ludovic Piraux表示，“因此，令人鼓舞的是，最新的LCA报告清楚地表明，该行业的投资正在取得回报。”

碳回收与再生碳纤维

虽然玻璃传统上是最常见的聚合物增强材料，但随着可回收材料的可用性和质量的提高，以及可持续性目标越来越多地得到考虑，其他材料的使用也越来越多。例如，在碳纤维增强领域，从废物水平很高的热固性复合材料加工领域回收纤维方面已经取得了相当大的进展。Procotex corporation旗下的Appliy Carbon是该领域历史最悠久的参与者之一，提供广泛的研磨、切割和粒状回收碳和芳纶纤维产品。Procotex负责技术市场和业务发展服务的Hans E Miltner博士说：“再生碳纤维提供强大的机械性能以及量身定制的电气特性，如防静电、导电或EMI屏蔽，是电子包装、高性能运动设备或追求金属替代和轻量化的理想组合。另一方面，回收芳纶纤维被用作低密度添加剂，以增强强度、韧性、耐久性和摩擦磨损性能，例如在轴承、离合器衬里、刹车片或越来越多的低噪音塑料齿轮中。这些原材料由高质量的后工业软废物制成，其碳足迹比原始材料低85%。然而，几乎没有性能损失，而且价格极具吸引力。”

许多终端市场发生的转变导致需求不断变化，促使Apply Carbon开发各种先进填料。这些产品是根据不同客户的需求量身定制的，通常在价格驱动的细分市场和全球范围内以批量规模运营。作为其创新重点之一，该公司一直在扩大其回收碳和芳纶产品提供的上浆化学品的范围。在再生碳纤维系列中，最近增加的是T型浆料，这是一种特别适用于快速增长的抗静电包装领域中使用的聚碳酸酯（PC）化合物的解决方案。

第二个创新领域的重点是提供无尘、易于处理、剂量和分散的可回收颗粒或丸粒。该产品的堆积密度高达400g/l，使复合机能够最大限度地提高生产率，并确保批次内和批次间的产品质量一致。它们还允许更长的碳或芳纶纤维长度，从而提高机械性能。

尺寸为6毫米的切碎回收碳纤维，来自Procotex子公司Apply carbon。

旭化成（Asahi Kasei）开发了一种从废弃零件中回收连续碳纤维的工艺。

日本旭化成公司（Asahi Kasei）与北九州大学国立理工学院、东京理科大学的项目合作伙伴一起，声称已经开发出一种回收方法，可以更容易地从碳纤维增强复合材料部件中提取碳纤维。据该公司称，传统的碳纤维回收技术导致产品质量较低，耐用性较差，该公司声称其方法可以从塑料化合物中提取连续纤维。该方法使用电解硫酸溶液，使碳纤维在分解其嵌入的树脂时保持其原始强度和形状。此外，旭化成正在开发一种碳纤维增强热塑性单向胶带（CFRTP-UD带），利用了可回收的连续碳纤维。据称，该材料基于该公司的Leona聚酰胺树脂，具有比金属更高的强度，可应用于汽车框架和车身，进一步实现汽车报废部件的回收利用。旭化成的目标是在2030年左右实现实际应用。

提升驾驶性能

同时，来自Wipag的高性能再生碳纤维化合物已经被用于新款BMW iX。这款全电动汽车的挡风玻璃采用回收碳纤维增强PA6制成的上部结构部件，采用注射成型金属混合动力技术。WIC PA6 15 BK IM复合材料是由宝马自己的碳纤维复合材料生产单元的碳纤维废料生产的，是一种抗冲击改性等级，具有良好的机械性能。

除了满足机械要求外，回收碳纤维的使用也确保了较低的碳足迹。生产1公斤WIC PA6的二氧化碳排放量约为6公斤，而使用原碳纤维生产1公斤的二氧化碳排放量约为9公斤。最近，晓星先进材料推出了H3065（T-1000级）高性能碳纤维，其抗拉强度最低达到6.4 GPa（比钢高14倍），弹性至少达到295 GPa。该公司表示，超高拉伸强度碳纤维是开发飞机部件、射弹和卫星不可或缺的材料。最近发射的韩国人造卫星“努里”（Nuri）也使用了该系统。

日本富士经济研究所表示，全球聚丙烯腈（PAN）碳纤维市场预计将以年均10%的速度增长，从2021年的85,790吨增长到2035年的327,430吨左右。截至2021年，全球主要碳纤维市场份额被确定为风力涡轮机叶片（39%）、航空航天（15%）、体育/休闲（12%）和汽车（7%）。由于这种预期的需求增长，晓星先进材料表示，它计划投资7.65亿美元，到2028年将其位于韩国全州的工厂的产能提高到2.4万吨/年。

今年早些时候，西格里碳素公司（SGL Carbon）推出了Sigrafil C T50-4.9/235，这是一种碳纤维，旨在满足压力罐结构的特殊要求。“基于碳纤维的解决方案是向可持续交通转型的关键驱动力，例如未来使用压力罐和燃料电池的氢交通。”西格里碳素公司碳纤维业务部主管 Roland Nowicki表示，“在成功的开发工作之后，我们现在可以推出一种50k碳纤维，它的拉伸度和强度达到了全新的水平。此外，它还为客户提供了明显的加工优势。”

除了用于燃料电池汽车中储存氢气的压力罐外，Sigrafil C T50-4.9/235碳纤维还可用于需要高强度和纤维伸长率的其他细分市场，例如建筑和基础设施。

资格与认证

今年4月，帝人公司的碳纤维和PEEK基Tenax热塑性机织物（TPWF）和Tenax热塑性复合层压板（TPCL）获得了NCAMP（国家先进材料性能中心）的认证。据该公司称，这是碳纤维增强热塑性复合材料或预固结层压板首次获得NCAMP资格。

NCAMP资格使PEEK碳纤维和复合层压材料技术可供更多OEM、一级和二级供应商以及一系列国际机构使用，包括美国联邦航空管理局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA），接受使用NCAMP流程开发的复合材料规范和设计值。

宝马iX电动汽车使用了一种金属混合动力挡风玻璃结构部件，该部件由Wipag PA6复合材料和再生碳纤维制成。

热塑性复合材料在不断增长的城市空中交通市场和传统的商业航空航天领域是一个有吸引力的提议，因为它们具有高的建造率，改进的抗裂性，熔体加工，增加的回收机会，以及以年为单位的保质期。Tenax TPWF是一种涂有热塑性聚合物的编织碳纤维织物，Tenax TPCL由几层Tenax TPWF浸渍和加固片组成。该合格产品基于编织Tenax高强度碳纤维和赢创的Vestakeep PEEK聚合物，据说非常适合大规模生产航空航天结构部件。

日本大冢化学公司的Tismo超细钛酸钾纤维可用于该公司的Poticon化合物，用于LED反射器和相机模块等专业应用。Tismo纤维的直径在0.2-0.6μm之间，具有高强度，相当于碳纤维的刚性，以及与铸铁相当的莫氏硬度。据说它为Poticon化合物提供了非常好的摩擦和磨损性能。

亚麻纤维的发展

近年来，在汽车工业中使用亚麻等天然纤维的趋势一直在增长。在与Bcomp的合作中，Sabelt目前正在验证使用亚麻纤维制作天然材料的汽车座椅。亚麻纤维可以用可再生材料取代碳纤维或玻璃纤维，在不影响性能的情况下显著减少二氧化碳排放。为了探索Bcomp ampliTex面料的潜力，Sabelt使用RTM工艺制作了一个原型汽车座椅，并于今年4月在巴黎JEC World 2023博览会上在Bcomp的展台上展出。

在同一场活动上，Johns Manville的高级复合材料业务展示了其基于pa6的Neomera有机板材，可选择机织（OS-6系列）和无卷曲织物（NCF-6系列）。该公司表示，它们是可回收的，可提供大尺寸的板材，旨在缩短循环时间，并且可以热成型，然后注射覆盖成型，以创造出不含添加剂的超过消防安全要求的产品（FMVSS 302）。其市场开发经理Dany De Kock表示：“这些新型液体浸渍产品具有优异的机械性能。它们的高承载能力是基于玻璃纤维与树脂基体的良好粘合，这是由获得专利的反应性玻璃纤维施胶剂实现的。由于单个生产步骤可生产厚度达3毫米的板材，因此避免了分层风险。”

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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