实现长纤维热塑性复合材料的商业化

作者:文/Composites Technology Sara Black 文章来源:CW《复合材料世界》2013年第4期 发布时间:2014-01-07
为了满足不断增长的高性能热塑性复合材料的市场需求,美国Gordon控股公司为旗下Polystrand公司投资建立了一座新的工厂.该工厂将率先于行业内大量生产市场领先的长纤维热塑性复合材料.

为了满足不断增长的高性能热塑性复合材料的市场需求,美国Gordon控股公司为旗下Polystrand公司投资建立了一座新的工厂。该工厂将率先于行业内大量生产市场领先的长纤维热塑性复合材料。

一家制造商是否应该以及何时、如何在一个不断增长的市场预期中增加生产能力?毫无疑问,许多《Composites Technology》的读者不得不应对这个问题。然而,就Gordon控股公司(美国科罗拉多州蒙特罗斯)及其全资子公司Polystrand而言,扩大产能对于这个低调但成功的企业似乎是很自然的下一步。公司共同创始人Don Gordon的儿子、Gordon控股公司董事长Mike Gordon说:“我们从来没有想到汽车和货车客户对于Polystrand热塑性塑料产品的需求来得那么快和那么强烈。” 事实上,需求是如此之大。 Gordon回忆说:“我们觉得必须扩大科罗拉多西部现有设施的生产能力。”

在经历了最近的经济衰退,许多紧缩开支的企业仍然小心翼翼地在预测经济是否已触底回暖时,下面发生的事情就是一个了不起的成就。Gordon复合材料公司获得了科罗拉多州和道格拉斯县政府以及来自银行的抵押金融的大力支持,使其为Polystrand公司在丹佛以南待开发区中,建起了一个巨大的新的生产设施和商务办公室,并安装了机器和雇佣了工作人员,仅一年多后就开始生产热塑性复合材料。《Composites Technology》有幸记录下新设施从破土动工到盛大开幕的这一过程。

Polystrand公司的新工厂位于科罗拉多州丹佛市附近,它的预定目标是到2015年产27216t、到2017年产45360t的热塑性复合材料产品,(图片来自Mike Musselman)

一条偶然发现的道路

为了搞清楚该公司做出在热塑性复合材料工厂上投资2500万美元的决策的原因,需从了解Gordon控股公司的起源开始。公司创始人George Gordon具有化学背景,他在Abbot实验室(美国伊利诺伊州芝加哥)开始了他的职业生涯,20世纪40年代他在该实验室获得了涉及热固性复合材料层压板首批专利中的几个专利。他与兄弟Dave和Don一起在1953年创建了Gordon塑料公司,并在开发非常早期的玻纤应用(一些采用了环氧基体)中起到了重要的作用,其中包括机载雷达天线罩。据自1985年以来就担任Polystrand公司总裁和Gordon的合作者Ed Pilpel称,兄弟俩决定为他们在加利福尼亚州圣迭戈第一个工厂的匡西特活动房屋增色——切割金属波纹屋顶部分,然后将切割下来的面板作为模具,在上面铺覆欧文斯科宁公司(美国俄亥俄州托莱多市)的玻璃纤维毡,并用聚酯漆浸渍。最后成型的透光板重新被安装在屋顶上,让自然光射入。此后不久,一名驾驶者开车时看到了屋顶上的板,希望可以买一些板子。兄弟俩开始没有同意,后来谈拢了一个价格,于是这些面板成为了Gordon公司的首批产品之一。这导致了一个称为Alsynite公司的分拆以及后来Gordon Skylight有限公司的成立,后者主要制造丙烯酸酯天窗。虽然天窗的业务已在1985年被出售,但兄弟俩在体育用品成为他们的主要重点之前,开展了其他一些项目,包括纤维增强塑料汽车车身和建筑部件。在体育用品市场上成功的产品包括弓箭和层压板、雪橇、滑板和跳水板。值得注意的是,Gordon塑料公司是Gordon复合材料公司的前身,它是世界上第一家在弓箭中使用复合材料部件的制造商。

Gordon公司于1995年搬迁到科罗拉多州,经过一段时间使他们的拉引成型和压缩成型适应高海拔和干燥空气后,公司继续生产他们的热固性层压材料,用于射箭弓臂。

Polystrand公司的新层压机由德国TPS公司制造。这里显示了该机器的装配过程,它是TPS公司生产的最宽机器(图片来自Sara Black)

Pilpel回忆道:“20世纪80年代,在美军的F-177A夜鹰和F-22战斗机的设计和开发阶段中,先进热塑性复合材料引起了他的兴趣,这些项目显示了热塑性塑料可用于高性能应用中。” Gordon公司先前采用热固性复合材料制备射箭箭杆,但客户对直线性的要求严格,造成了很多箭杆报废。Mike Gordon意识到如果有必要,热塑性箭杆可以再加热并拉直,省去了很多废料。这使得Gordon和Pilpel更深入了解了注塑成型热塑性塑料市场。虽然当时主要的材料形式仍然是短纤维增强型复合材料粒料,但是他们的想法是可以充分利用连续纤维增强材料的热塑性塑料。它们大大优于短纤维复合物,如果可能的话,能以有竞争力的成本推出。

“我们了解了当时最新的连续纤维热塑性塑料研发的进展情况,如欧文斯科宁的Twintex等等。”Mike Gordon说,该公司使用了内部专业知识并完善了它认为最有用的技术,最终开发出了自己专有的热熔机,用于高速制备热塑性复合材料预浸料带。该设备可以使用任何纤维和树脂组合,产品有不同面密度和层组合。“早期的聚丙烯产品原型在价格上与Twintex相比有竞争力,”Gordon介绍说,“其价格约为5.29美元/kg,性能比热固性材料提高了20%。” 热熔机的原型机器用于3条大型带生产线,并随这些生产线从蒙特罗斯运到丹佛的新工厂中。

Pilpel解释称,聚焦连续纤维增强热塑性单向带和层压板的部分原因是,与竞争的材料相比,这种复合材料的性能有所提高。“从成本的角度来看,今天聚丙烯的价格明显比1989年要高,”他说,“因此,添加玻璃纤维作为增强材料的价格敏感性和我们开始时不一样。”最终,导致他们投资新工厂的决定性因素是他们对一个在环境上可持续的产品的激情。他们将Polystrand公司在2005年首次推出的产品视作“新一代”复合材料:可全部回收利用;迅速的后成型性,无挥发性有机化合物(VOC)的排放;大批量足以满足新市场的需求。Pilpel补充说:“30年前那些秘密的军事项目打开了热塑性复合材料的大门,而后形成了一个巨大潜力的市场。但像这样的产品,需要几十年才能达到完全商业化。正如我用了22年建起了这座工厂。” Gordon公司的经营理念是采取果断行动,建立一座工厂,到2015年每年可以生产27216t的层压板,到2017达到每年45360t,应用领域包括交通运输、工业甚至航空航天领域。

Polystrand公司总裁Ed Pilpel站在一个货物集装箱的旁边,该集装箱是Polystrand增强热塑性片材的一个潜在的终端产品(图片来自Mike Musselman)

寻找“绿色”场地

Gordon和Pilpel心中有这样一个雄心勃勃的生产目标,但他们面临物流的问题。蒙特罗斯工厂已达到了它的容量。虽然考虑了对工厂进行扩能,但他们很快就意识到这个地方远离科罗拉多州Western Slope主要的航空、铁路和货车路线,使大批量产品的运输昂贵且费时。在考察了美国的其他地方后,包括得克萨斯州和更远的北卡罗莱纳州,他们选择了留在科罗拉多州,正如Gordon说:“我们喜欢这里。”在全面搜索丹佛大都会地区的商业地产后,发现现有的建筑物都没与铁路、高速公路相连接,且面积小不足以容纳生产设备。这导致了他们做出建立一个全新工厂的决策,新厂应该可以容纳公司的总部业务,并有足够空间用于将来的扩能。Gordon公司最终在海菲尔德商业园区选择了557万m2土地。该地块是在丹佛东南以前的牧场上,与Centennial机场相邻,距25号州际公路只有几公里。Gordon说:“我们认为这是一个很好的地点,可以支持我们的物流。”

Gordon称赞海菲尔德开发商Tom Bradbury所起的关键作用,以及科罗拉多州VectraBank的合作贷款方Jim Friedberg将融资、设计和施工队伍揉合在一起,使项目快速实施。“我们最初认为没有时间或足够的资金来建造一幢新的建筑,”Gordon回忆说,“当然,我们经历了一些焦虑,但我们闯过来了。”Friedberg说,银行愿意为此项目融资。“Polystrand和Gordon拥有良好的信用记录,”他解释道,“我们看到了产品的增长潜力并欣赏Polystrand公司不断地投资于其知识产权。”

在2011年6月3日破土动工后,工人用土方工程设备清理了约34400m2土地,并用一台钻机钻打了一系列直径为0.92m的孔洞,以容纳支撑建筑物的9.45m深钢筋混凝土墩。在混凝土墩浇注完和一个混凝土底脚到位后,浇注混凝土板。在2011年9月中旬,该建筑物向上倾斜的墙壁被升起:模板被放置在已打扫干净的地板垫上,这些结构根据需要配置门窗等。钢筋置于结构内,混凝土直接铺在垫上。然后一台46m的起重机将固化的墙壁段从垫上吊起至垂直的位置,工人扶住每段墙壁,将它们连接在一起。Gordon控股公司的现场项目经理Tucker Sims说,墙壁向上倾斜方法的优点是,所有的外墙电气布线在浇注混凝土前都已放在这些结构的内部,从而取消了建筑修饰的步骤而加快了进度。至2011年11月,所有的墙壁都被竖起,以为这幢11150m2的建筑铺设屋顶。

停在Polystrand生产车间中的这辆货运拖挂车的侧板,是该公司片材产品的一个主要应用(图片来自Mike Musselman)

随着工人竖起内墙、安装好管道和电气设施,并完成办公室的布置,大家的注意力转向了8920m2的生产核心区域:由TechnoPartner Samtronic公司(TPS,德国格平根)制造的大型双带热塑性层压机。这台长2.5m、高15.4m及宽3.7m的机器通过26个海运集装箱被运到新工厂中,它是TPS有史以来生产的最宽机器。随行的4名德国技术人员用了4个月的时间组装了钢框架和内部系统,包括层压带、辊筒、内部热油加热系统和材料处理系统。层压机的基本功能是定位、加热、压缩和冷却连续635mm带产品,并将它们转换(通常情况下)成正交、3层或4层铺层。此外,该层压机能够连续层压厚度达9mm的实心板和150mm厚的夹芯板。Pilpel解释道:“用于多层产品的正交铺层带或芯材,由该设备前面的辊筒直接送入。层压机定位于3台10t桥式龙门起重机的工作范围内,总起重能力为30t,它们被用来将热塑性复合材料带卷吊升至喂料器,并在机器的另一侧将成品吊上货车或入库。

新工厂经理Drew Gordon介绍了一条达到生产区域长度的中央宽车道,如何帮助实现进入4台热塑性复合材料带机器和TPS层压机,以及先入先出储料区和生产后修饰等过程,该车道被他戏称为“科罗拉多大道”。带机器和层压机可以7天24h连续工作,来生产Polystrand的层压板产品。生产出的层压板在层压机的末端连续绕卷,宽度可达3300mm。加工废料可被磨成薄片并通过后处理成为注塑成型用粒料。为了满足客户对改善面板外观这一不断增长的要求,Polystrand公司的工程经理Ben Pilpel提到了TPS机器具有合并薄膜、贴面层及其他表面修饰的灵活性,从而可以提高Polystrand层压板成品的美观性。

鉴于经济前景不明朗,当被问及在新厂房和新客户上的投入是否审慎时,Pilpel回答道:“我们开设新工厂进行长纤维热塑性复合材料的商业化,确实存在一定的风险,但基于我们前期的工作以及我们的行业经验,我们十分有信心率先生产出上千t的、合格的长纤维热塑性复合材料产品。”

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