短切碳纤维增强配混料扩大了热塑性复合材料的应用范围

作者:CompositesWorld PEGGY MALNATI(本刊编译) 发布时间:2022-02-24
由重量百分比高达50%的碳纤维和一系列热塑性基体树脂配制而成的注射级别配混料正在扩大热塑性复合材料的应用范围。


图1

MCAM的一家客户希望用复合材料取代金属注射成型的镁来生产一款高性能山地车的悬架部件,以减轻重量,避免与活性碱土金属有关的加工。基于该部件的复杂性以及所需的产量,只有注射成型才能满足客户对成本的要求。为此,MCAM 配制了一种30% 重量百分比的短切碳纤维增强PPS(KyronMAX S-8230),满足了所有的力学性能要求,包括具有挑战性的耐疲劳性,从而在此应用中成功地取代了镁(图片来自三菱化学先进材料有限公司)

专为注射成型应用而配制的一系列短切碳纤维增强热塑性塑料(简称CFRTP)配混物,正在扩大热塑性复合材料的应用范围,能够适应更多的部件尺寸和复杂形状。有趣的是,从体育用品和汽车部件,到医疗设备和航空部件,在越来越多的应用领域中,这些材料的性能已经超越了长纤维增强热塑性(LFT)复合材料(采用玻纤或碳纤增强)和金属材料。

成型商变成配混商

这些材料由日本三菱化学先进材料有限公司(简称MCAM)配制和销售。过去十年来,MCAM合并了母公司以前收购的几个独立业务,包括:前瑞士Quadrant公司,这是一家玻纤毡热塑性塑料(GMT)、有机片材复合材料及热塑性工程制品的生产商,以及曾经的美国Piper Plastics 公司,该公司从注射成型精密机械零件起家,后来将业务扩展到订制CFRTP 配混料——首先满足自用,然后为其他成型商供料。

大约在2012年,Piper Plastics 公司还是一家服务于航空、体育用品和娱乐设备等客户群体的中等规模的订制化注射成型商,当时,该公司的领导层希望发展其零部件制造业务,但却面临着两大挑战:首先,该团队在寻找各类配混料以使其觉得能让该公司在有着更高性能要求的细分市场中具有竞争力方面遇到了麻烦;其次,该公司想要进入汽车市场,但没有足够的成型能力参与主要项目的竞争。


图2

作为高性能复合箭弓的一部分,这个滚轮最初是由机加工的铝制成。客户想要转变成使用复合材料,所以首先试用了50% 重量百分比的长玻纤增强 PA6/6,但这种材料在填充复杂形状时遇到了困难,会引起部件的过早失效。为此,MCAM 配制了一种20%重量百分比的短切碳纤维增强PA6/6复合材料(KyronMAX S 2220),这种新材料不仅能够在与成型之前LFT级别材料完全一样的模具中成型,而且避免了部件失效,且成型部件的重量比采用LFT 材料的部件减轻了21%,比采用铝的部件减轻了50%(图片来自三菱化学先进材料有限公司)

第一个问题通过集中研发各类基础树脂和纤维浆料技术而得到了解决,从而开发出一系列高性能、可注射成型的CFRTP配混料,商品名为KyronMAX。这些材料采用的基体树脂如PA6/6、PPA、PEI、PPS、PEEK和PAEK等,增强材料为短切碳纤维。配制的这些配混料,不仅取代了短玻纤增强的和矿物填充的注射级别的材料,而且取代了LFT配混料(平均起始纤维长度13mm)甚至金属,其中的大多数都提供了高耐热性、广泛的耐化学性、良好的力学性能以及低易燃、低烟雾和低毒性等优势。

“在数据表上,LFT配混料看起来更强,但通常,它们无法填充我们可以用短切碳纤维技术填充的这类部分的形状。”MCAM的复合材料大客户经理Alex Wojtysiak解释说,“由于我们的材料拥有很高的流动性,能更好地填充复杂的形状,因此采用我们的配混料生产出的部件要坚固得多。”

“并不是说我们要着手去创造广泛的CFRTP配混料,而是要使开发的每一种材料都能满足特定客户的特殊需求。”MCAM 的全球复合材料技术经理Clint Newell补充道,“随着我们开发配方能力的增强,我们进入了新的市场,遇到了新的客户,从而了解了他们的需求,并能够着手去创造一种完美的配混料来满足他们的需求。”

由于这些配混料最初是由一家成型商为另一家成型商所配制,因此使得它们能够被设计成拥有易于加工的性能,从而能够始终如一地生产出更高质量、更好性能的部件。“我们配制我们的KyronMAX产品线,以提供更高的流动性和纤维交互性、更低的内部应力,同时各向异性小、熔接线强、缩痕少、翘曲变形倾向低且尺寸精度更高,而无论成型部件的断面是厚的还是薄的。”MCAM的研发总监Dave Wilkinson表示,“除了我们的配方和独特的浆料技术外,我们还对自己的压机作了改进,这样可以更高效地加工这些材料。”

为什么要用这个不同寻常的产品名称呢? “在古希腊神话中,Kyron(也被拼写成Chiron)是半人马半人类的意思。”MCAM 的首席创新官Randy White说,“Kyron用它独特的个体技能,超越了它的野兽本性。我们将Kyron比作我们的配混料,希望这些一半是碳纤维、一半是树脂的配混料像人马一样强壮、像人一样聪明,加工起来很容易。”

随着配方专业知识的增长,该公司引起了日本三菱化学控股集团的注意,该集团于2016年收购了Piper Plastics。MCHC立即投资了数百万美元来提升其在美国亚利桑那州配混生产线的规模。自动化的操作结合引进自己的碳纤维浆料和切碎技术,使得KyronMAX配混料能以更快的速度、更高的一致性被生产出来。随后,MCHC在美国密歇根州建立了第二条配混生产线,在日本建立了第三条配混生产线。这些扩张的产能意味着KyronMAX 级别的材料在北美和亚洲的汽车市场中可能具有竞争优势。

扩大产品供给,新的市场机遇

现在,凭借更大的产能以及能够获得更广泛的聚合物和碳纤维材料,MCAM团队一直在忙于开发一系列的新产品,其中一些是专门为汽车市场配制的,最有趣的一个是 KyronMAX ES 4240,据说它是世界上第一个突破了414 MPa拉伸强度的短切碳纤维增强的注射级别配混料。它所突破的那个级别的材料,是在2019年的SPE汽车工程塑料会议(AutoEPCON)中被推出的,是40%纤维重量百分比的碳纤维增强PPA,该材料还提供了41.2 GPa的拉伸模量、34.5 Gpa的弯曲模量和552 MPa的弯曲强度。PPA是一种特殊形式的聚酰胺,具有更好的耐热性和更广泛的耐化学性,水解趋势远低于传统的PA6和PA6/6。


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专为汽车应用而开发的新的可注射成型CFRTP配混料KyronMAX ES 4240,是一种40%重量百分比的短切碳纤维增强 PPA,据说它是第一个突破414MPa拉伸强度的材料(图片来自三菱化学先进材料有限公司)

在2019年的SPE AutoEPCON会议中推出的其他汽车级别的材料还包括专为发动机盖下应用而开发的一种耐高温的碳纤维增强PPA级别,据说该材料的玻璃化转变温度(Tg)和连续使用温度(CUT)能与PEEK相媲美,但更易于成型。毫无疑问,考虑到像汽车和小家电这样的大批量生产行业对成本的敏感性,该团队还在研究聚丙烯基的KyronMAX产品。

随着其产品线的扩大,使用这些材料的市场也在不断扩大。除了渴望已久的汽车业务外,现在该公司还服务于医疗器械(耐用的和一次性的)、小型家电及消费电子产品等领域。航空/航天仍然很重要,体育用品行业也是如此,在这些领域中,该公司已经发展到涵盖赛车、山地车、高尔夫球杆、复合弓及其他射箭部件等应用。有多种产品提供的线性热膨胀系数(CLTE)类似于金属注射成型(MIM)的铝和镁,它们有更好的韧性、更轻的重量和更低的成本——该团队发现,其材料在越来越多的应用中取代了金属。


图4

为了向航空领域的客户展示KyronMAX复合材料的性能,MCAM设计并制造了一种用于航空母舰的普通的四分之一回转固定门闩。由于高负荷要求,目前该部件由铝制成。而30%重量百分比的短切碳纤维增强PEI 材料(KyronMAX S 6230)凭借其力学性能以及在阻燃、烟雾和毒气方面的优势而被选中用于取代铝。该复合材料的部件不仅满足了铝所能达到的性能要求,而且令重量减轻了一半,目前正在接受几家客户的评估。此外,它们还能得到喷涂以与飞机内饰颜色保持一致(图片来自三菱化学先进材料有限公司)

随着与全球范围内的三菱公司日益广泛的接触,现在MCAM团队能够获得代表更广泛复合材料产品组合的技术,跨越了热塑性塑料和热固性塑料,且可以采用更广泛的增强材料类型和纤维长度。

在MCAM内部,另一项接近商业化的技术是采用热塑性基体材料的织物(非织造织物、编织织物和单向织物)增强的干预浸料,名为KyronTEX,这些产品目前正在进行战略性取样。2021年夏季,MCAM 收购了德国carbonNXT 公司及其姐妹公司德国CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG 公司,从而将一整套碳纤维回收技术引入该集团的产品生产中。据说 MCAM团队将在多种配方中试用回收碳纤维,然后推出合格的商业化产品。

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