长纤维增强热塑性材料： 汽车行业的绿色转型新动力

长纤维增强热塑性材料在汽车领域的拓展

汽车行业对兼具刚性、强度、易加工性和环保性能的材料需求日益严苛，这为长纤维增强热塑性塑料 （LFT）打开了更广阔的发展空间。此类具有组合特性的材料尤其吸引汽车制造商，因为其可以在保持或提升性能的前提下减轻零部件重量。

 

标题图：电动汽车的发展为长纤维增强热塑性塑料提供了市场潜力©SHUTTLESTOCKS

除了汽车轻量化这一由来已久的目标外，长纤维增强热塑性复合材料的需求也因其它一些原因而加速增长。随着汽车行业越来越多地转向电动和混合动力系统，长纤维增强热塑性复合材料在电池组件中的应用迎来了新的机遇。由于电池相对较重，因此人们对可用于减轻其它汽车部件重量的材料越来越感兴趣，这反过来又会刺激未来对长纤维增强热塑性复合材料的需求。此外，随着汽车行业对聚合物部件的可回收性要求越来越高，既能替代金属、又含回收成分且自身可回收的材料更具吸引力。

 

企业创新与应用案例

TechnoCompound专注于减少排放和减少消费后回收（PCR）材料的气味，并推出了一系列针对汽车行业的新型LFT材料，主要用于汽车内饰。这些材料主要是基于聚丙烯，牌号为TechnoGreen，可以与该公司含PCR的长玻璃纤维改性材料混合，从而大大降低最终部件的碳足迹。

例如，该公司的TechnoGreen PP LGF60以100% 原生PP为基料，可与100% PCR材料TechnoFin rPP在机器中混合。该公司称，如果以2：1的比例混合这两个牌号，与使用100% 原生PP作为基材的类似长玻纤增强塑料相比，碳减排可达55%。

TechnoCompound表示，自主混合LFT可简化库存管理，因为工厂可以根据不同原材料配比，通过挤出机进行混合生产，甚至可能仅需储备两种基材。

其几种改性材料已通过汽车行业测试，并被用于奥迪的两个量产车型，以及保时捷Macan和Mini Cooper的2024年车型。这些材料用于仪表板支架。为了赢得这些应用，这些材料必须满足严格的物理要求，而且由于是内部组件，它们还必须满足严格的气味和挥发性排放标准。

姊妹公司ConClimate与TechnoCompound合作，一起计算碳减排量，计算涵盖1、2和3类碳排放，其中还包括TechnoCompound工厂门口的产品包装。

TechnoCompound董事总经理Dirk Breitbach表示：“35年来，我们一直在使用回收材料生产高质量的材料……这些材料在广泛的应用中符合严格的要求。”

汽车行业重视LFT材料的高比强度。强度高且重量轻的重要特性有助于汽车制造商减轻部件的重量，从而提高车辆的燃油效率。

电动汽车的非电池部件尽可能轻，这一点尤为重要，因为电池的重量很难减轻，保持续航里程或性能也很难。大型电池系统的危险之一是它们可能会变得非常热，这可能会导致热失控，然后着火，除非电池得到恰当的保护。

在NPE 2024展会上，沙特基础工业公司（SABIC）公布了其Stamax 30YH570长纤维增强PP材料的一系列测试结果，该材料可用于汽车燃料电池。SABIC使用了四个不同的场景来突出该牌号在此类绝缘应用中的优势。其中一个场景是用注塑Stamax 30YH570保护15个18650锂离子电池组，另一个是没有这个保护。同样，在11个21700燃料电池组上也是有保护和没有保护的两个场景。所有电池都密封在钢制容器中。

为了测试LFT材料作为绝缘材料的有效性，使用电加热带对每个场景中的电池进行加热以引发热失控。没有Stamax 30HY570 部件保护的电池迅速开始释放高温气体、明火和高速颗粒，装有电池的钢容器内的压力迅速增加。同时，由于热量在电池之间很容易传递，失控蔓延到所有相邻的电池。

有Stamax 30HY570部件保护的电池系统则表现不同。在这些系统中，被加热电池周围的PP LFT材料熔化、变成气体并碳化。聚合物的物理状态从固体到液体再到气体的变化所需的能量消减了加热的电池中的热量。与此同时，碳化的材料形成了一种绝缘炭，有助于减缓热量和火灾的蔓延。

 

图1：现代 Ioniq 6 2023 车型的电池系统使用的是 SABIC LFT 增强材料©HYUNDAI

SABIC表示，其PP LFT化合物已商用化于2023款现代IONIQ 6的电池系统（图1）。该车型的电池模块外壳由H1030 PP材料制成。这是一种无卤材料，含有30%的玻璃纤维，符合中国GB/T 41467.3-2015电动汽车防火标准（可承受1000℃高温5分钟）。

除了展示这些电池部件外，SABIC还在NPE 2024展会上展示了其长纤维增强PP材料如何用于一系列其它汽车应用，在这些应用中，凭借低重量、高强度、增强的电气和隔热性能，SABIC的这些材料为部件本身或该部件组装后的组件提供了额外的好处。展品包括量产或原型部件，如外壳、端板、母线排，以及尾门、照明组件与智能面板等结构件。

同样在汽车领域，美国宝理公司（Polyplastics，隶属于日本Daicel公司）副总裁Tim Kneale表示：“我们的材料用于需要重量轻并且强度高的地方。一个重要的应用是汽车，例如，用于汽车内饰的后部零件和面板。”

宝理生产各种LFT工程塑料，该公司的全国开发经理Tushar Birje说：“我们的Plastron系列包含可以用玻璃、碳和纤维素等一系列纤维增强的PP、PA6、PA66、PA9T、PA12和PAMXD6。”

Kneale强调说，公司正开发助力汽车行业绿色生产的产品：“降低碳排放越来越重要，我们正探索使用含再生纤维素的再生PP以进一步降低碳足迹。”

Birje表示，纤维素纤维是使用溶剂法再生的，这种方法产生的废料很少。“由于它的密度比玻璃纤维增强聚丙烯树脂低近10%，因此相同体积产生的温室气体排放量更低。”他补充道。

该公司近期推出的长纤维增强塑料产品 Plastron RA627P 也采用了纤维素增强技术。汽车行业可能是长纤维增强塑料的一个重要市场，这些材料还可用于对高强度和低重量要求较高的领域。高保真音乐行业就是一个需要尽量减少惯性以提高性能的领域。因此，长纤维增强热塑性塑料经常在扬声器振膜等应用中大显身手。

宝理表示，Plastron LFT RA627P牌号使用再生纤维素纤维增强材料，与30%的玻璃填充材料相比，30%的再生纤维素纤维添加量可以将该牌号的环境足迹减少30%。

图2：扬声器振膜是 LFT 的一个非汽车应用领域©宝理塑

这个新牌号在PP中使用不间断的纤维素纤维。这些纤维的长度和方向都相同。纺丝回收纤维素具有高强度和弹性。该公司表示，该牌号的弯曲模量与30%的短玻璃纤维增强PP材料大致相同，但密度低10%，因此其比刚度高于同等的30%玻璃纤维填充PP。此外，宝理表示，RA627P的低损耗系数及高比刚度的组合优势使其可用作音响系统中振膜的材料（图2）。

 

图3：Feddem 表示，其 LFT 改性生产设备已安装在Polyram美国公司的埃文斯维尔生产基地©FEDDEM

 

挤出技术的进展

在挤出技术方面，Feddem公司的LFT复合生产线概念有了新进展。该公司为Polyram美国公司位于印第安纳州埃文斯维尔（Evansville, Indiana）的工厂提供了第二代生产线（图3）。Polyram表示，新的Feddem FLF600生产线虽然只有58股，但生产率与埃文斯维尔工厂占地100000平方英尺的两条共120股的传统LFT生产线的生产率相同。

Feddem的高级技术专家Sebastian Jost表示：“该生产线的高性能基于浸渍模具中优化的股线运行和对生产参数的精细控制。”他补充道，与传统设计的生产线相比，该生产线节省了大量空间。

本文由荣格独家翻译自AMI《COMPOUNDING WORLD》
作者：Simon Robinson

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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