正在发挥潜力的长纤维热塑性塑料

长纤维热塑性塑料（LFT）技术不断发展。虽然汽车应用保持其市场主导地位，但其他行业领域越来越受到重量轻和高强度承诺的吸引——例如，LFT PP化合物可以提供成本更低的金属替代品，也可以提供成本更高的技术工程聚合物。

在汽车领域持续渗透的LFT PP化合物

根据AMI Consulting于2021年9月发布的一份报告，PP的市场渗透率继续上升。该报告量化了颗粒形式的LFT PP（LFT-G）和直接在线复合LFT PP（LFT-D）的使用情况，并跟踪了世界各地的使用情况。该公司表示，LFT PP广泛用于汽车前端支架、仪表板支架、门板、控制台、踏板、车身底部防护罩和许多其他汽车应用。这些应用的一个特点是，LFT PP正在取代钢材——从而减轻重量——或取代更昂贵的工程塑料。

AMI Consulting预测，到2025年，LFT PP将保持强劲增长。虽然在不同应用领域、汽车OEM和地理市场的增长速度各不相同。过去，欧洲是LFT销量的领头羊，但现在情况发生了变化。报告称，2020年亚洲占全球LFT PP需求的50%，而欧洲和美洲分别为26%和24%（表1）。

增长最快的应用领域之一是汽车后备箱的提升门，其设计范围从全金属到几乎没有金属。在无金属设计中，LFT PP用于提供结构强度，并辅以高性能PP以提供可涂漆的外部蒙皮。在最苛刻的应用中，结构内部LFT PP元件被暴露在外，因此需要良好的美学饰面。作为一种新的减轻重量的方式，塑料提升门对于电动汽车制造商来说尤其有价值。

向电动和混合动力汽车的转变，在威胁到一些现有聚合物应用的同时，也为LFT PP创造了新的机遇，因为设计师们正在重新思考概念并采用新的方法。该报告引用了特斯拉“frunk”的例子——位于前部的备箱或储物箱。这将利用车辆前部的空间来存储，但需要在设计时采用传统的汽车前端吸收碰撞冲击的能力。

美国RTP公司证实了各行业对LFT材料的浓厚兴趣，该公司提供范围广泛的LFT材料。公司结构产品业务经理Zach Halverson表示：“更换金属部件或过度设计的短玻璃纤维化合物仍然是主要的增长机会。例如，长纤维聚丙烯化合物通常可以成功地替换下短玻璃纤维聚酰胺化合物，从而提供更低成本和更低密度的溶液。”RTP公司还提供长纤维技术在工程和高性能基础聚合物，如PEEK、PPA、PEI和PPS。这些结合了聚合物理想的机械和热特性，以及长纤维增强的额外好处。据说，在要求特别高的环境中，如在石油和天然气行业，它们是替代金属的良好选择，而其他材料无法满足需求（表2）。

Halverson 表示，汽车行业仍然是长纤维热塑性塑料的最大消费者，该行业的任何风吹草动都会影响长纤维热塑性塑料的使用。对汽车行业来说，2021年是特别动荡的一年，特别是在供应链问题上，但他预计，随着汽车行业处理积压的汽车产量，在2022年之前将看到强劲的需求。他还预计，该公司将从进一步的有机增长中受益，并将更多部件转换为轻型LFT部件，以实现减轻重量和提高燃油效率的目标。

作为LFT的主要最终用户，汽车行业的性能需求是LFT发展的关键驱动力。当前的挑战包括日益严格的VOC限制、在150°C下承受超过1,000小时的长期热老化的能力（图3）、更强大的抗紫外线性，以及直接在模具外实现高度美观的A级表面抛光的能力。通常在一个应用工艺中需要满足其中的几个要求。

为了应对这些汽车领域的挑战，RTP公司的产品开发团队与领先的添加剂技术供应商密切合作，对新配方进行广泛的试验复合。公司还大力投资于最佳复合工艺，而区域可用性使其能够在世界任何地区始终如一地提供相同的产品。

RTP公司开发的最新产品之一是用于汽车尾部提升门的40%长纤维聚丙烯化合物。Halverson 说：“汽车尾门需要良好的抗紫外线和机械性能、无可见纤维的A级表面光洁度、长流动路径、低VOC以及可着色以适应严格的颜色目标。这种材料流动性非常好，可以填充具有长流动路径的大型零件，同时实现出色的美学和良好的机械性能。”

根据Halverson的说法，除了性能，可持续性现在通常是一项强制性要求。“RTP公司一直致力于开发一系列可持续的长纤维聚丙烯产品，以支持这些举措。我们的产品开发团队可以根据特定的物理特性、回收含量和成本定制我们的长纤维聚丙烯材料，在某些应用中可用作优质材料的直接替代品。”他说，目标是能够为寻求PP以外的可持续采购原材料的客户，提供具有成本效益的交钥匙解决方案，并补充说RTP已经做好准备，可以在其他基础聚合物（如PA6和PA66）中提供类似的解决方案。

提供可持续、多种用途的选择

据Avient称，长纤维技术现在是热塑性塑料市场的一个成熟领域。“自上世纪80年代初首次引入长纤维增强热塑性材料以来，已经过去了将近40年了。因此，该行业肯定处于或正在达到一个成熟阶段，特别是在长玻璃纤维聚丙烯等材料的大宗商品领域，它有大量的供应商。”长纤维技术总经理Eric Wollan说。

“大多数市场研究报告显示，在可预见的未来，长纤维材料市场将继续以高个位数的复合年增长率增长。汽车行业的增长一直很突出，长纤维材料因其在金属替换场景中的轻量化能力而受到重视。材料使用量的增长与全球汽车和卡车产量的增加是同步的。”

交通运输并不是唯一重视减重的市场领域。Wollan表示，非必需消费品，尤其是运动产品和工业设备正朝着更便携的设备发展，从而让用户更为轻松。

虽然轻量化通常是产品设计师的首选，但金属复合材料的改变还带来了许多其他好处。降低成本是一个主要的驱动因素，当从金属制造转换到注塑生产时很容易实现。长纤维复合材料的金属类性能，加上其出色的耐久性，还可以生产非常坚固的产品。这些产品通常也会考虑到回收性能。在一个越来越关注材料生命周期的世界里，这是一个必要的考量因素。

然而，他表示，LFT供应商必须继续创新，以满足不断变化的需求。“长纤维制造商需要迅速解决可持续材料选择的缺乏，以满足不断变化的消费者偏好。Wollan说，由于用于制造长纤维材料的拉挤工艺的精确性，并不是任何回收或生物衍生的热塑性塑料都可以得到纤维增强。

“我们不能只是坐等，也不能挥舞着双臂。供应商仍有很多工作要做，要找到和开发方法来清理回收的热塑性塑料原料流，这样才能提供可持续的选择、能够提供具有结构性能的材料所需的一致性能。”

Avient最近推出了一系列用长玻璃纤维或碳纤维增强的防潮PA6和PA66材料，解决了PA间歇性暴露在水中或在湿度变化的环境中出现的条件性能下降的问题。新的Complēt材料据说比传统的专业PA选项提供了显著的成本节约，同时满足了预期，无论在潮湿的沿海地区或干旱的内陆地区使用，产品都将具有相同的性能。

新的长玻璃纤维变种还提供了无可见纤维的表面光洁度，这使得它们适合使用在暴露的应用中。在这些应用中，标准长纤维材料的工业外观对许多消费者没有吸引力。在不使用高模具温度的情况下，抛光模具的表面光泽度可以超过70，因此循环时间不会延长。

Complēt防潮PA6和PA66产品稳定，可减缓吸湿速度，并可缓和环境性能退化，因为在各种气候条件下都需要一致的性能。它们在标准和专业PAs之间提供有条件的结构性能，预计将在汽车或动力运动行业的轻量化计划中得到应用（图4）。

据称，这些牌号在高纤维含量水平下提供了改进的流动性，这便于填充薄壁部分或长流动长度。此外，它们的横向收缩率降低了30%，从而最大限度地减少了翘曲变形。可提供具有不同百分比的长玻璃纤维、长碳纤维或混合组合的配方。

展望未来，Avient表示正在评估来自后工业和消费后领域的不同回收树脂流。“这是为了确定哪些与用于制造长纤维复合材料的拉挤成型工艺兼容，而不会降低结构性能。”Wollan说，“在通常用于制造长纤维材料的聚合物范围内，有几种有希望的候选者。我们希望成为这一领域的领导者，在不影响长纤维性能的情况下满足客户的可持续发展目标。”

去年，日本宝理塑料（Polyplastics）推出了Plastron LFT品牌下的第一款LFT产品。由宝理塑料母公司Daicel开发的新产品系列有PP、PA6、PAMXD6和PA9/T树脂，可选择40-60%的玻璃纤维或碳纤维增强材料。随着人们对更可持续的材料越来越感兴趣，该公司表示，它还提供了一种纤维含量为40%的长纤维纤维素增强LFT PP。

该公司表示，Plastron材料的关键属性包括高刚度和抗冲击性能，良好的尺寸稳定性和蠕变性能，以及在高温下保持物理性能。该公司声称，由于LFT材料中纤维断裂面减少，用户也将看到磨损的减少。
目标应用领域包括工业泵外壳、管件和汽车部件。

LFT材料的加工工艺

虽然大多数注塑机使用预复合LFT材料，但人们越来越多地选择在使用现场进行复合材料的加工。
德国注塑机械制造商Arburg继续开发其纤维直接复合（FDC）工艺。据轻量化结构专家兼技术部门销售团队经理Manuel Wöhrle称，轻量化结构、降低单位成本和可持续性等创新趋势，对于FDC工艺而言同等重要。

FDC工艺是在注射成型机上进行的，因此它消除了用于制造LFT颗粒的拉挤步骤。Arburg表示，直接复合使加工商在材料选择和定制性能方面具有最大的灵活性，同时降低二氧化碳排放、树脂热应力和材料成本。

FDC工艺包括通过切割设备连续输送玻璃纤维，将纤维链切割成应用所需的长度，然后通过侧给料机直接进入注射机桶内的液体熔体，在那里它被均匀化。该系统具有一个完整的关键参数控制系统，如运行时间、每周期纤维数和粗纱重量单位。

Arburg认为该技术将被应用于替代预复合LFT颗粒的使用，以及替代其他工程塑料技术材料或升级回收聚合物。在替代技术材料时，公司声称可以节省高达60%的材料成本，以及减少高达30%的重量。

该公司声称FDC工艺的一个关键好处是它提供了在最后部分优化纤维长度的灵活性。复合材料高级应用经理Frank Fischer表示，相对较短的纤维足以提高E模量或刚度。如果需要提高强度，则需要等于或大于临界纤维抽出长度的长纤维。

德国压力机制造商迪芬巴赫（Dieffenbacher）与双螺杆挤出机械制造商Leistritz合作开展了一个使用回收材料直接成型LFT的项目。迪芬巴赫目前正在使用Leistritz挤出技术在美国建造一条用于制造大型LFT-D组件的高产量生产线。

对于含有30-50%纤维含量的典型LFT-D工艺，使用两台双螺杆挤出机。聚合物和添加剂组分按重量法被送入第一个挤出机，在那里熔体被塑化，然后转移到第二个挤出机，在第二个挤出机中使用一个特殊的模具来实现连续玻璃纤维粗纱的最佳掺入和浸渍。但在目前的开发项目中，所需纤维含量仅为10-20%。Leistritz区域销售经理费Federick Huck表示，这意味着该过程可以通过单机技术进行。

LFT-D技术的应用

LFT-D技术也被用于朗盛（Lanxess ）和Kautex Textron之间的LFT项目，以开发电动汽车电池外壳的制造解决方案。作为可行性研究的一部分，两家公司已开发出一种长宽约为1,400毫米的近系列技术演示组件。目标是展示技术热塑性塑料在重量和成本降低、功能集成和电绝缘行为方面优于金属的优势。

演示部分C级电动汽车的电池外壳为基础，由带有防撞结构的外壳托盘、外壳盖和防撞（车底）保护装置组成。外壳组件采用单阶段LFT-D成型工艺生产，使用朗盛的优化Durethan B24CMH2.0 PA6与Kautex Textron的玻璃纤维粗纱复合。在生产过程中，使用同样来自朗盛的Tepex连续纤维增强热塑性复合材料对外壳结构进行局部加固。

目前，高压电池的外壳主要由挤压钢或铝型材制成。根据车辆类别，外壳长度和宽度尺寸可以分别超过2,000毫米和1,500毫米。金属外壳的尺寸和部件的数量以及制造和组装的步骤使得其成本非常高。此外，必须在额外的工艺步骤中使用阴极浸涂等处理方法保护金属部件免受腐蚀。

朗盛和Kautex Textron表示，通过使用塑料，并将紧固件和热管理组件等功能集成在一起，电池外壳中的单个组件数量可以大大减少，从而简化了组装和物流工作。塑料还具有耐腐蚀和电绝缘性（后者确保了减少系统短路的风险），而它们的低密度提供了减轻重量，有助于延长车辆行驶里程。一级供应商Röchling Automotive也在开发轻质结构设计，使用LFT-D材料替代电池应用中的重金属解决方案以及白车身组件。该公司表示，LFT技术提供了更好的设计和集成选项，同时轻型设计更有助于替代驱动系统。目标应用包括承重管道和槽、电池盖和底盘防护装置以及其他结构部件。

该公司以前端载体为例，通过功能集成，单个部件的数量已经减少。灯具、传感器和主动式格栅百叶窗可以直接集成和安装在工厂，使处理更容易，最大限度地降低生产成本。更轻的组件重量也扩展了电动汽车的续航里程，减少了燃料消耗和二氧化碳排放。

劳士领（Röchling）目前正在进行研究，通过使用连续纤维增强带进一步提高LFT设计的强度和刚度。这些增强元件由嵌入塑料基体的连续玻璃或碳纤维组成，可以沿负载路径放置到组件中。这是为了确保材料的合理使用，以相对较小的成本溢价创造更高的性能组件。

摘自：Compounding World 作者：Mark Holmes

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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