技术进步促进再生碳纤维市场的发展

再生碳纤维为具有全新性能特性的轻质高性能改性材料开发铺平了道路。

关于可持续性的争论继续围绕塑料进行：它们的制作方式是否可以更可持续；它们的产品和系统的可持续性是否可以增强？增强材料也牵涉其中，为热塑性改性材料配套的材料制造商也积极参与到可持续性的讨论和新解决方案的开发中来。

例如，碳纤维的供应商在重新处理和重新利用复合材料中取得了重要进展，这些材料过去会被当成废料处理。玻璃增强材料制造商也提供了替代选择。同时，生产者对制造产品所需的能源成本以及能源成本如何受到从化石燃料转移的影响表示了关注，从化石燃料转移这一举动因俄乌冲突对俄罗斯施行制裁而加剧。

根据向比利时Procotex及其子公司Apply Carbon提供技术市场和业务开发服务的Hans Miltner的说法，用再生碳纤维增强的塑料可能手握强大循环供应链和更可持续应用的钥匙。

例如，在移动出行领域，向电动传动系统的转变提出了新的挑战，也带来了新的机会。汽车制造商发现自己必须寻求轻巧的解决方案来补偿电池的额外重量。铝是一种解决方案，但它的嵌入碳足迹明显高于钢（约为五倍）。从金属转到塑料尤其是增强塑料的途径可能会比较有效。

然后是使用抗静电，EMI屏蔽或导电材料屏蔽汽车中电子产品的问题。Miltner称，这为能将机械性能和结构完整性与可调电性能结合的塑料改性材料提供了重要的潜力。

类似的理由适用于其他市场。“例如消费电子应用，因为必须用到某些高碳足迹的工艺，镁铝合金的使用开始受到质疑；其它市场应用还有各种各样的工业组件，例如齿轮和泵。” Miltner说。

他补充说：“在最近几个月中，这些开发的进展已被能源和一些原材料（尤其是金属）的急剧价格上涨进一步催化。”
 
碳足迹

Apply Carbon公司专门研究包括碳在内的再生纤维产品，因此它发现自己在应对这些新挑战中占据了优势地位。最近，它提供了其生产的再生纤维产品的嵌入碳足迹独立数据，进一步加强了这种印象。

该公司委托可持续发展咨询公司Ecores的一项详细研究，对与其所有资产和运营相关的温室气体排放进行了评估。评估结果揭示了与加工初级原材料产生的碳足迹相比，使用再生原材料可以将温室气体排放量减少85%。
该研究还表明，Apply Carbon生产的再生碳纤维和芳纶纤维的平均嵌入二氧化碳足迹是2.0 kg二氧化碳当量/千克，而原始纤维是12.9 kg二氧化碳当量/千克。它还发现，回收和市场上主流碳纤维技术的温室气体含量之间的比率高达六倍。

Miltner称，目前碳纤维和芳纶纤维的需求很高，不仅因为应用场合越来越多，而且当前大面积的供应链中中断已经大大增加了对回收等效物的需求，“到目前为止，回收等效物的供应依赖于高质量的后工业废弃物的供应以及少数产能受限的供应商。”为了克服再生碳纤维供应的瓶颈，Apply Carbon将它的产品组合扩展到一系列基于更广泛的纺织品废弃物的新产品。

回收的发展

该公司目前正在引入许多颗粒形式的新再生碳纤维产品。其中包括三个热塑性上浆的牌号，用于热塑性工程塑料如PA、PPA、PBT、PPO和POM。Miltner称，这些增强填料基于广泛可用的原料。Apply Carbon目前持有约3000吨的库存。

他说：“此外，这些产品包含了许多正在满足明确市场需求的创新。”例如，改性厂商在给低体积密度产品进行计量喂料时通常会遇到难题，而颗粒状的产品形式为之提供了一种解决方案，从而提供了提高生产率和质量的潜力。同时这些产品容易流动，处理过程无尘（堆密度分别为125和300-400 g/L）。

Miltner表示，纤维长度可以根据应用要求进行调整。较短的纤维通常保持熔融粘度较低，可使生产的薄壁零件具有更多的各向同性特性或能够用于生产碳纤维增强3D打印长丝。更长的纤维更适合用于目标是最大化零件性能的场合，例如金属塑料合金零件或要求沿零件的主要负载方向取向的零件。

据说最新推出的产品可以在机械性能和电气性能之间提供不同的平衡。例如，当碳纤维颗粒含有中等模量和标准模量碳纤维的混合物时，用户可以受益于前者的高模量和固有电导率以及后者的高强度。新的颗粒产品均基于中等模量碳纤维，这使得它们非常适合生产抗静态包装或EMI屏蔽应用。

Apply Carbon在芳纶纤维业务方面采用了类似的开发路线，该公司现在为需要良好耐磨性的摩擦应用场合提供不同等级的产品。Apply Carbon母公司Procotex最近迁到法国15500平方米的新工厂，其再生纤维生产能力翻了三倍。

 降低成本

根据生产原始和再生碳纤维的Zoltek公司的说法，超过30%的原始碳纤维最终将在某个时刻成为废弃物。该公司认为这是彻底改变碳纤维商业化的机会。它表示，再生碳纤维的模量与原始碳纤维基本相同，但比原始碳纤维节省20%至40%的成本。该公司表示：“即使降低了10-20%的拉伸强度，再生碳纤维仍然是当今所有商业化的增强纤维中最强的纤维之一。”

Zoltek现在提供多种不同形式的再生碳纤维，包括颗粒、薄片或棒材形式。“我们认为再生碳纤维将是全球下一代商业化生产的重要参与者。”Zoltek称，“尽管再生碳纤维可能还不是每个应用的理想解决方案，但我们渴望与客户合作，在主流市场中开发更可持续的碳纤维的潜力。”

去年11月，Zoltek表示，它将再次扩大其位于墨西哥瓜达拉哈拉（Guadalajara）工厂生产碳纤维的能力。6,000吨/年的扩产将于2023年初开始投入生产，这是在去年完成的6,000吨/年的扩产基础上的又一次扩产。这将使得Zoltek的年度全球碳纤维生产能力达到35,000吨。

Dreytek及其关联公司Dreyplas分别是NPS在日本生产的短切碳纤维产品在北美和欧洲的分销商。NPS短切碳纤维的来料是从第三方获得的，被认证为消费前/工业后材料。

上浆种类

Dreytek北美业务经理Liz Gershon表示，NPS提供各种专有上浆剂，这一点使它有别于其它短切碳纤维供应商。这些专有上浆剂根据要复合纤维的聚合物来定制，能在纤维和聚合物之间产生非常强大的相容性，从而提供公司声称的机械性能、电气性能和加工性能之间的最佳平衡。Gershon说，对于高温聚合物，这些专有的上浆剂也限制或避免了环氧上浆通常存在的放气问题。

NPS提供三种不同的上浆剂含量（1.5%，3%和5%），因此改性厂商可以根据聚合物类型，改性技术和最终用途的要求来定制其产品。

Dreytek在北美分销各种增强材料，包括新型玻纤产品和碳纤产品。Gershon说，通常玻璃纤维造成的成品零件中的各向异性收缩可以通过使用玻璃薄片（例如Fleka和Fineflake产品）来纠正，欧洲的Dreyplas也分销这种玻璃薄片。Fleka和Fineflake产品由NSG集团制造，NSG集团是世界上最大的玻璃制造商之一。

她说：“当这些玻璃薄片单独使用或与玻璃纤维结合使用时，它们能减少收缩，并在成型零件的横向和机器方向之间取得更大的平衡。”

“玻璃薄片可显著减少成品零件的翘曲，同时保持玻璃纤维零件几乎所有的拉伸和弯曲性能，” Gershon称，“以前的做法通常是把矿物填料添加到玻璃纤维增强的改性材料中来最大程度地减少翘曲，但这会导致机械性能损失。现在使用玻璃薄片，就无需在机械性能、产品翘曲和收缩之间做权衡。

用于热塑性改性材料的NSG玻璃薄片很小，仅0.7-5.0微米厚，平均直径约为160-600微米，这可能会使它们难以喂入配混挤出机。但是，NSG开发了一项技术，可以为薄片增添临时的粘合，使它们形成直径为1mm的团聚或颗粒，这些颗粒更容易喂入。Gershon说：“一旦这些颗粒暴露于料筒中的温度，粘合就会消失，而小薄片仍然保持其增强特性。”

根据应用的性能需求和要改性的聚合物种类，NSG提供各种尺寸和上浆的不同薄片等级。据说Fleka薄片（通常为1-5微米厚和160-600微米的平均直径）可提供最佳的机械性能。Fineflake薄片（通常为0.7微米厚，平均直径160微米）可提供更光滑的表面。

薄片的好处

根据Gershon的说法，Fineflake产品的更多好处还包括它能增加熔接线的强度。“由于薄片是如此之薄，它们可以存在于熔接线内，提供额外的强度。”他补充说，这是许多其他增强材料无法做到的事情。

Fleka和Fineflake玻璃薄片还能让注塑零件以及挤出薄膜和挤出板的表面更耐磨，并且对设备的磨损比玻璃纤维造成的更少。“有趣的是，Fleka和Fineflake玻璃薄片也用于为注塑成型零件或挤出零件提供液体或气体阻隔，因为玻璃薄片可以在零件内对齐形成曲折的屏障，从而大大降低了气体或液体渗透率。”

Fleka和Fineflake用在需要尺寸稳定和机械性能良好的各种应用中。例如电子连接器等一些小零件，这些小零件与其它零件的配合精度至关重要，零件上的翘曲或收缩差异是不能接受的，尤其是在循环受热的场合。其他应用包括无法接受高收缩和翘曲的大型薄壁零件。

Gershon说：“通常，这些应用不需要用玻璃薄片完全替换玻璃纤维，只是在配方中加入玻璃薄片来优化机械性能与收缩/翘曲之间的平衡。”她引用了30%玻璃纤维填充PBT改性材料的案例，这其中三分之一的玻璃纤维被10%的Fleka玻璃薄片代替，从而使Warpage降低了79%。

增强捻线

Tanvir Ahmmed博士是NGF加拿大公司的产品开发经理，该公司生产用于热塑性塑料中用来增强纵向刚度和尺寸稳定性的增强捻线。根据该公司的说法，在连续线性和弯曲应力下，捻线增强的热塑性塑料物品表现出更长的使用寿命。

通常用化学物质来处理捻线，让它与基材间的粘附达到理想状态。这种处理通常是通过沾蘸或浸泡来进行的。
NGF生产用热塑性聚氨酯（TPU）和聚丙烯（PP）处理的增强捻线，能与TPU、PP、PVC和其他热塑性弹性体相容。有两种不同的TPU处理，一种基于脂肪族聚酯，另一个基于脂肪族聚醚。

该公司提供玻璃纤维、聚酯纤维、碳纤维和芳纶纤维增强捻线。这些捻线比在某些增强的热塑性物品，例如皮带、软管和汽车和建筑用型材中使用的传统钢替代品更有优势。该公司声称，尤其是使用碳纤维捻线将比钢替代品节省高达80%的重量。

除了连续增强捻线外，NGF还提供热塑性上浆的短切丝（TISC），可以很容易地将其掺入热塑性塑料中。该公司通常以1.5、3、6和12mm的长度提供这些短切丝。

欧洲玻璃纤维制造商正在努力游说，以确保当前的能源危机不会危及其业务。欧洲玻璃纤维协会是代表欧洲长丝玻璃纤维行业的贸易协会，其成员中3B，Johns Manville，Lanxess，Nippon Electric Glass，Owens Corning和Saint-Gobain Vetrotex几家公司一共占了欧洲长丝玻璃纤维生产的90%以上。

能源方面的担忧

欧洲玻璃纤维协会在5月发表的文件中指出，欧盟委员会在其通讯RePowerEU中宣布了希望在年底减少欧盟对俄罗斯化石燃料进口的依赖；俄罗斯提供了欧盟消费的所有天然气的40%以上。

欧洲玻璃纤维协会表示，想“向当局告知不间断的能源供应（天然气和电力）对长丝玻璃纤维制造行业是非常必要的，因为需要保持炉子和工业设备的运转状态，防止工业事故并保护工人的安全。”

玻璃纤维在约1500°C高温的炉子中生产。该协会说：“尽管许多制造工艺非常适合间歇性操作，但长丝玻璃纤维制造不行，它需要稳定状态、连续操作来保持玻璃融化。”

“即使是暂时性地切断玻璃纤维工厂的能源供应，也会造成对生产设备不可逆的损害。如果能源供应中断超过几个小时（20小时），炉子温度下降，熔融玻璃固化，炉子中就会出现裂缝，继而产生玻璃泄漏和员工受伤相关的风险。在正常时期，要恢复生产的话至少需要6到12个月来修理或重建玻璃熔炉。”其文件解释道。

欧洲玻璃纤维协会警告说，这种情况的经济和社会冲击不仅对玻璃纤维行业具有巨大的影响，而且还将对所有玻纤增强塑料或复合材料供应链产生连带影响。

它说，通过保持融化的玻纤温暖（“热保持”）来暂时限制制造活动也没有什么意义，因为这种做法节省的能源很少。欧洲玻璃纤维协会表示，其呼吁当局“在能源应急计划中包括为长丝玻璃纤维工厂持续供应能源，并在可能发生短缺的时候征询制造商。”

翻译自AMI《配混世界》杂志
作者：Peter Mapleston

来源：荣格-《国际复材技术商情》

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