高分子改性增强的多种选择

纤维基增强材料广泛用于塑料改性，它提供了一种有效且经济实惠的方法来改变强度和刚度等性能特性。其中，玻璃纤维仍然是用于聚合物增强的最重要、最广泛的纤维，但其他纤维也会被使用。随着成本下降和可回收牌号越来越多，碳纤维被越来越多地用于轻质热塑性材料的改性。虽然大多数改性使用短纤维或长纤维增强材料，但非纤维类型，例如实心或空心玻璃珠，也正在出现。

2018 年收购长纤维增强技术专业公司Plasticomp 的 Avient公司表示，交通运输继续主导长纤维增强热塑性塑料（LFT）市场。“从历史上看，汽车除了降低排放以满足监管要求外，还严重依赖长玻璃纤维增强聚丙烯来减轻车辆重量和提高燃油经济性。”长纤维技术总经理 Eric Wollan 说。

随着数量的增长，这些材料的使用将继续广泛增加。大多数可以从使用长玻纤聚丙烯复合材料取代金属的转换中受益的汽车零件已经实行了转换。剩余的金属部件如也要从转换中受益则需要更高性能的材料，这对于长玻纤增强工程树脂、以及在经济上合理的情况下采用碳纤维增强材料来说，是个好兆头。

“电气化不会结束汽车的减重需求，因为重量更轻的车辆具有更大的续航里程。向电动汽车的转型实际上提高了性能要求。”Wollan 补充道。

取代金属一直是长纤维复合材料的主要应用领域，在运输和其他市场中，这种情况将继续存在，对于便携的日益增长的需求正在推动材料从金属转变。全球所有主要的OEM厂商也都制定了可持续发展计划，这些计划使得设计师和工程师越来越多地咨询含有回收或可再生成分的材料。

根据 Wollan 的说法，在选择增强型热塑性塑料体系时，有几个关键考虑因素，对于长纤维材料而言，则完全取决于结构要求。工程师确实需要很好地了解零件要承受的负载以及典型的使用环境是什么，以避免在指定材料上过度花费。然而，将已知的规格要求与当前的软件分析工具结合意味着可以使用长纤增强热塑性塑料设计真正的结构部件。

可持续发展目标

根据 Wollan 的说法，在研发方面，寻找能够满足日益增长的可持续性需求并具有成本效益的材料是最重要的。“用于制造长纤复合材料的拉挤成型工艺加工窗口较为狭窄，因此具有比较稳定的熔指、无特定污染物的回收料的添加位置就较为重要。人们始终期望可持续材料具有相同的性能，并且实施起来具有同样或更高的成本效益。大多数市场都不愿意接受以更高的费用获得可持续性。”他说。

“长纤维的大部分研发都是渐进式改进，用以满足个别应用的特定性能要求，而不是革命性的创新。除非有人发明了一种新型纤维或一种新的聚合物系统，否则每个人都在使用相同的原材料进料。”Wollan 说。

尽管长玻纤最常用于汽车，但它们也应用于其他行业。Avient 最近与美国食品加工设备领先制造商Bettcher Industries合作，将其Quantum电机的支架从铝制转换为Complēt长玻纤。两家公司重新设计了支架，它能承载一个 11.3 公斤（23 磅）的电机，电机为各种切肉工具提供动力。该项目的目的是提供一种轻质聚合物替代品，以降低零件成本，同时在苛刻的最终使用环境中保持可靠的性能。

最终Avient 的 Complēt 长玻璃纤维增强PA化合物比铸铝前身轻 40%，同时带来注塑成型的额外优势，可实现更快的一步生产。Avient 对重新设计的支架进行了虚拟模型制作，而 Bettcher则对物理模型进行了测试，以模拟 50 万次使用循环。在这些结果的支持下，制作了与 Bettcher 现有产品色板相匹配的预着色 LFT，无需二次喷漆和精加工，进一步节省了成本。

市场供应中断

Wollan说，市场供应中断也在刺激创新方面发挥了作用。“尼龙供应链最近发生的两次重大中断促使许多人寻找市场波动较小但性能相似且价格相近的替代品。成功的行业依赖稳定。”

Avient 推出了两条新的材料生产线，旨在为这些供应限制提供解决方案。两者均以聚酮 （PK） 为基础，配方可提供与PA66和PA6和聚甲醛 （POM）相当的性能和更低的生产相关二氧化碳水平。Edgetek PKE和 LubriOne PKE 系列配方结合了良好的耐化学性和耐水解性，可应对化学、燃料接触或高湿度环境中的挑战。新材料还在产品生命周期内提供可持续性优势，因为该公司声称生产PK基础树脂的二氧化碳排放量比PA和POM少 61%。

Edgetek PKE产品系列包括含有10%-40% 短玻璃纤维的短玻璃纤维增强产品。它们具有良好的耐化学性、低吸湿性、良好的尺寸稳定性以及高抗冲击性和耐磨性。它们的目标应用是管道和管子、电池组件以及引擎盖下的燃料或化学接触组件等。LubriOne PKE系列是内润滑牌号，将耐化学性与更好的耐磨性和低摩擦系数相结合。目标应用包括传送带、齿轮、开关、泵和龙头。

玻纤的发展

中国巨石公司最近开发了一种超高模量玻璃纤维，其模量为100 GPa，而普通E纤维为70-75Gpa。该公司表示，E9玻璃纤维采用先进的生产技术生产，显着提高了性价比。该公司表示，预计E9玻璃纤维将为风电、基础设施、交通、航空航天等高端应用领域以及光缆加固、耐温材料和运动器材等领域提供新的解决方案。

与此同时，全球玻璃纤维制造商约翰斯曼维尔（Johns Manville）在其位于斯洛伐克Trnava的工程产品工厂建立了一个废玻璃纤维热回收装置。“这项投资的主要目标是通过大幅减少玻璃纤维废物的填埋来实现对环境的切实积极影响。”该公司欧洲/亚洲环境、健康和安全经理 Elena Hrivikova 说，“这个项目是我们对欧盟委员会零废物计划的响应行动之一，也是我们对地球自然资源可持续管理的总体目标。”

Trnava 装置的预计回收能力每小时超过三吨，包括一个仓储区、进料和输送设备、粉碎机、燃烧室和碾磨机。加工后，回收的玻璃粉末不含有机颗粒，可作为原材料重新引入现场玻璃生产过程。该公司估计该项目每年将避免垃圾填埋场产生一万多吨垃圾。

“我们已投资近 1000 万欧元用于最先进的技术，并确保回收能力将使特尔纳瓦的玻璃纤维产能进一步增长。”JM 工程产品业务全球运营总监 Martin Nywlt 说。

中空球

中国中钢马鞍山新材料科技有限公司开发了一系列中空玻璃微珠，用作需要更高机械性能的改性材料的低密度添加剂，用于船舶、航空航天和汽车结构部件。

例如，该公司的 T40 级硼硅酸盐中空玻璃微珠被描述为具有高抗压强度的轻质低导热增强添加剂。据说它们可以提高 PA6 改性料的拉伸强度、冲击强度和硬度，并提高硬质 PVC 的尺寸稳定性和耐热性。用于 ABS 改性，可以提高尺寸稳定性并减少收缩。应用包括轴承、相机组件、管道、电视柜和汽车零件。

使用中空玻璃微珠时必须小心。该公司表示，它们可能会被复合和注塑成型等过程中产生的高剪切力和压力压碎。抗压强度与体积密度有关：体积密度为 0.125 g/ml 的玻璃球的抗压强度为 250 psi（1.8 MPa）；密度为0.60 g/ml的球体在18000 psi（124 MPa）左右。中钢表示，其空心玻璃微珠的直径范围为 11-18微米，抗压强度为8000-10000 psi（55-69 MPa），具体取决于牌号。

据该公司称，其空心微珠可以在双螺杆或捏合挤出机上成功加入，建议后段进料，以便将微珠引入熔融聚合物中，并表示螺杆的设计应尽量减少剪切，不推荐捏合块。短纤维喂料斗通常也适合添加微珠，螺旋类型的能提供最稳定的喂料。其他建议包括使用真空排气和水下造粒设备。

纤维替代

去年，Mafic 在美国北卡罗来纳州谢尔比的据称是世界上最大的玄武岩纤维工厂开始运营。该工厂是北美第一家，投资2000万美元，每年能够生产6000吨玄武岩纤维，相当于目前全球玄武岩纤维产量的近30%。

玄武岩纤维是一种拉制的连续矿物纤维。它由开采的玄武岩制成，首先经过清洗，然后将其放入约1500°C的熔炉中变成熔体，然后通过金属糊化挤出形成单独的细丝。离开套管时，纤维长丝会变硬，并在与其他成品纤维缠绕以形成股线之前施加上浆剂以改善其性能。

据Mafic称，玄武岩纤维由于其轻量化潜力和低成本，非常适合用作聚合物复合材料中的增强添加剂，用于汽车等应用。它可作为长度为3至96毫米的短纤维供货，并可提供适用于PE、PP和PA的上浆剂。该公司还提供预混合的PP-LFT化合物。

芳纶纤维具有低密度/高拉伸强度比，使其适用于各种聚合物增强应用。一段时间以来，帝人芳纶一直在与许多合作伙伴合作开展以可持续发展为重点的试点项目，以利用可再生生物基材料开发高性能Twaron芳纶纤维。该试点项目表明，在不改变所得Twaron芳纶纱线的材料特性的情况下，可以减少生产过程对环境的影响（该公司在荷兰的一家工厂生产其 Twaron 超高强度对位芳纶纤维）。

碳纤维发展

东丽公司（Toray Industries）的最新开发成果是一种高拉伸模量碳纤维，它计划在未来几年内将其作为纤维和用于注塑成型的热塑性颗粒进行商业化。

东丽目前的产品线包括用于压力容器、航空航天、汽车和其他工业应用的Torayca T系列高强度碳纤维和Torayca T1100G碳纤维，其拉伸强度为7.0GPa，拉伸弹性模量为320GPa。2018年，它将Torayca M40X商业化，以扩大碳纤维在高端运动设备和航空航天结构方面的潜力。据说这是使用纳米级纤维结构控制来平衡5.7GPa的拉伸强度和377GPa的拉伸模量。然而，5.0微米的纤维直径限制了生产效率，这使得成本成为一个问题。

东丽通过优化Torayca MX 系列控制技术来制造具有均匀内部结构的7.0微米纤维，从而在新开发中解决了这个问题。这也增加了纤维的拉伸弹性模量，达到390GPa，比Torayca工业应用产品的标准水平高约70%，并提供更好的性价比。

该公司表示，与传统的高拉伸模量产品相比，采用新开发的碳纤维的热塑性颗粒在成型后可保持更长的纤维长度。因此，颗粒可以生产拉伸模量高达41GPa和比重为1.4的零件（可媲美镁合金的45GPa和比重为1.8）。它声称使用颗粒制造复杂的注塑成型零件可以提高生产率并显着减轻重量。

报告称，欧洲对用于电子和医疗应用的碳增强材料的需求不断增长，总部位于德国的帝人碳素欧洲公司已将其短切碳纤维Tenax-E HT C604 6mm牌号的产能提高了40%。该公司表示，近年来对C604牌号的需求显着增加，它表示该牌号能够生产具有良好机械性能和导电性的高级材料。直到最近，帝人在日本的三岛工厂该牌号的产能才能满足欧洲的需求。德国产能的增加意味着它现在可以更灵活地应对当地客户的需求。其他Tenax短纤维产品的切碎、造粒或碾磨在日本和美国的工厂生产。它们有多种尺寸可供选择。

去年，Zoltek 发布了为福特开发的发动机罩的详细信息，该发动机罩使用PA66化合物中的 Zoltek PX35 碳纤维，比原来使用铝时减轻了24%的重量，并通过螺栓接口、连接点处的螺纹插件和 RTV 密封件在所有地方加入了负载限制器。PX35短切纤维经常与工程热塑性塑料（如PC、PA）和高温热塑性树脂（如PEEK和PEI）混合。据说短切纤维具有高堆积密度值，这使得喂料更加稳定，并且在复合过程中易于分布。
复合式注塑

德国的Koller Kunststofftechnik于去年年底开始为一款未公开的宝马车型生产骨架注塑挡风玻璃框架，使用由SGL Carbon提供的热塑性浸渍碳纤维增强型材。型材将由 SGL 在其位于奥地利因克莱斯（ Innkreis）的工厂使用其50k碳纤维生产，随后由Koller使用混合注塑技术加工成挡风玻璃组件。

热塑性复合材料部件是一种结构部件，它将取代传统的钢元件作为车顶框架之间的连接元件并提供稳定功能。碳纤维型材为零件增加了所需的刚度和碰撞安全性，同时有助于减轻车顶的重量。在宝马的车型中，该部件将减轻相对于钢制设计的40%的重量。

巴斯夫Ultramid Advanced聚邻苯二甲酰胺（PPA）产品家族的最新成员包括具有20%、30%和40% 增强的碳纤维增强牌号。该公司表示，新材料将能够生产轻质部件，可以安全地替代铝和镁，而不会损失刚度和强度。它们也是导电的。这些材料基于巴斯夫的Ultramid Advanced N（PA9T），由于吸水率低、耐化学性和水解性好、强度和模量高，因此具有高尺寸稳定性。

据巴斯夫称，与镁或铝相比，具有40%碳纤维增强材料的Ultramid Advanced N3HC8等级在80°C（调湿后）显示出更好的强度和模量。在120°C下加热老化5000小时或在150°C下加热老化3000小时后，它还能保持近100%的拉伸模量。

“我们采用碳纤维的新型PPA化合物是理想的金属替代品，”巴斯夫PPA业务管理部门的Michael Pilarski 说，“这不仅仅是从材料特性的角度来看。用镁或铝生产零件还需要额外的后处理和加工，这会增加系统成本。鉴于我们的新PPA等级有机会减轻25-30%的重量，我们可以为传统上由金属制造的零件提供安全、经济高效和高性能的替代品。”

该公司还强调了与玻璃纤维增强PA相比，新型碳纤维增强 PPA 化合物在重量和拉伸模量方面的优势。用 20%（重量比例）碳纤维增强的PPA等级比用50%玻璃纤维填充的PA6或PA66 轻约20%；20%碳纤维增强Ultramid Advanced复合物的拉伸强度优于或等同于50%玻璃纤维增强聚酰胺，并且加工更容易。
新的碳纤维增强Ultramid Advanced牌号预计将应用于车身、底盘和动力系统的汽车结构部件，工业应用中的泵、风扇、齿轮和压缩机，以及消费电子产品中的超轻量部件。

回收行动

不久前，比利时的Procotex Corporation收购了位于英国但隶属于德国Haniel集团的ELG Carbon Fibre的再生短碳纤维业务。Procotex将继续为ELG客户提供服务，并表示不会中断业务。该公司表示，此次收购补充了其在法国的Apply Carbon子公司现有的碳纤维业务。ELG将继续其回收长碳纤维的活动。

总部位于德国的Romira是使用再生碳纤维的改性企业名单中的最新成员，推出了一系列高强度和轻质聚酰胺化合物。该公司表示，其再加工碳纤维 （rp-CF） 是由领先的碳纤维制造商提供的残余切屑/边角料生产的。它声称，由于纤维是原始质量，它们提供了均质的特性，因此不会因混合纤维类型而导致特性波动。与主要碳纤维相比，使用rp-CF还可以减少90%的二氧化碳排放量。

来源：荣格-《国际复材技术商情》


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