一文讀懂PP、PE等熱塑性復(fù)合材料特點、工藝及行業(yè)應(yīng)用前景!
雖然許多人一直在討論并倡導熱塑性復(fù)合材料(TPCs)作為下一個材料技術(shù)突破，TPC具有高容量、輕量化的技術(shù)優(yōu)勢，其應(yīng)用也已經(jīng)超過十年了，但市場滲透率尚未達到之前的預(yù)期。為什么TPCs的采用速度慢于預(yù)期，誰最有可能加速它的使用?
熱塑性預(yù)浸帶復(fù)合材料，所謂的復(fù)合材料，有三個要素：
1：基體樹脂，比如PP、PE 或者是熱固性樹脂，
2：纖維，如碳纖維，玻璃纖維，芳綸纖維，
3：就是纖維形態(tài)，是一維的，還是織物形式的，不同的編織狀態(tài)有不同的性能;
1、那么什么是復(fù)合材料用預(yù)浸料？
預(yù)浸料是用樹脂基體在嚴格控制的條件下浸漬連續(xù)纖維或織物，制成樹脂基體與增強體的組合物，是制造復(fù)合材料的中間材料。預(yù)浸料的某些性質(zhì)直接帶入復(fù)合材料中，是復(fù)合材料的基礎(chǔ)。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于預(yù)浸料的性能。
2、復(fù)合材料用預(yù)浸料兩種制備方法
(淋膜法制備熱塑性預(yù)浸帶復(fù)合材料)
(浸漬法制備熱塑性預(yù)浸帶復(fù)合材料)
3、復(fù)合材料用預(yù)浸料分類
根據(jù)剛剛說的三個要素，復(fù)合材料用預(yù)浸可分為：
按照增強體種類
碳纖維預(yù)浸料、玻璃纖維預(yù)浸料、芳綸纖維預(yù)浸料、其他纖維預(yù)浸料、
按照基體樹脂種類
熱固性預(yù)浸料、熱塑性預(yù)浸料
按照增強體物理形態(tài)
單向預(yù)浸料、織物預(yù)浸料
目前國內(nèi)有華美新材料，中廣核俊爾，金發(fā)科技等有在做，本篇文章就是節(jié)選至華美新材料楊總在10月20日艾邦組織的長玻纖會議上發(fā)表的演講PPT。
4、單向玻纖增強熱塑性預(yù)浸帶特點
保留長度大，抗沖擊優(yōu)
?短纖維增強熱塑性材料：纖維保留長度<1MM
?長纖維增強熱塑性材料：纖維保留長度1～25MM
?連續(xù)纖維增強熱塑性材料：理論纖維保留長度與制品最終尺寸一致
纖維分散優(yōu)：玻纖在樹脂中單絲級分散，克服熱塑性塑料分散難題，性能更強
基體可調(diào)性大：采用熔融工藝，樹脂配方可調(diào)空間大，滿足不同特殊性能要求
連續(xù)大批量生產(chǎn)：可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)成本相對較低、質(zhì)量穩(wěn)定性好
充分取向，拉伸強度高，鋪層設(shè)計靈活，適用廣，可回收利用，清潔節(jié)能
5、熱塑性預(yù)浸帶成型工藝
6、熱塑性預(yù)浸帶應(yīng)用
預(yù)浸帶在汽車領(lǐng)域中 的應(yīng)用
預(yù)浸帶應(yīng)用于越野車后座
成型工藝：模壓+注塑
輕量化效果：減重40%(與鋼結(jié)構(gòu)對比)
優(yōu)點：一體成型，簡化生產(chǎn)工藝優(yōu)點：一體成型，簡化生產(chǎn)工藝
預(yù)浸帶在高壓輸油RTP管 的應(yīng)用
材料：預(yù)浸帶+HDPE+HDPE
用途：高壓輸油管、海底輸油管
到2022年，TPC全球市場預(yù)計將增長到近420億美元，包括塞拉尼斯(Celanese)、巴斯夫(BASF)、索爾維(Solvay)、朗盛(Lanxess)、帝斯曼(DSM)、普立萬(PolyOne)和RTP在內(nèi)的領(lǐng)先材料市場參與者，將為廣泛的市場應(yīng)用提供大量樹脂選擇和產(chǎn)品形式。
TPC材料的好處清單
TPC材料的好處清單當然非常引人注目。熱塑性復(fù)合材料可在熔融狀態(tài)下可成為無定形狀的制品，并可再加熱熔融而制成另一種形狀的制品，還可重復(fù)多次再生使用而其物理機械性能不發(fā)生顯著的變化。另外，它可一次性制成形狀十分復(fù)雜而尺寸十分精密的制品，生產(chǎn)周期僅需數(shù)分鐘。由于熱塑性塑料經(jīng)過增強后，性能大為提高，有些機械性能已跨進了金屬強度的范圍，從而大大擴展了復(fù)合材料的使用范圍，可以代替金屬和木材。
對飛行器而言，它們能帶來數(shù)倍于其競爭對手熱固性塑料的出眾的抗沖擊性，具有防火、低煙、無毒的特性，耐受大多數(shù)航空流體，以及制造前在材料倉庫中的無限儲存期。由于可熔融加工，它們能采用熱成型，之后也可在新應(yīng)用中再成型。它們可采用熔接制造具有高度完整性的連接口，避免因采用緊固件而增加重量又耗費成本。在其使用期結(jié)束時，它們還可回收。其生產(chǎn)工藝通常都比較快，一般無需采用熱壓罐固化。生產(chǎn)過程中的揮發(fā)性有機物排放也根本不成問題。還可以采用纖維自動鋪放設(shè)備及其他自動化設(shè)備。這類復(fù)合材料適用于高度集成結(jié)構(gòu)，這一特點加上其重量輕的特質(zhì)，使之在最小化結(jié)構(gòu)件數(shù)量方面與熱固性材料一樣富有價值。
汽車行業(yè)非常重視生產(chǎn)周期，比起領(lǐng)先的商業(yè)飛機制造商每月力爭生產(chǎn)10到12 架飛機，這個行業(yè)每天都要生產(chǎn)成百上千的汽車。的確，熱塑性復(fù)合材料可以在僅僅幾分鐘的生產(chǎn)周期內(nèi)加工完成，僅是熱固性塑料部件所需固化時間的一小部分。與在航空領(lǐng)域中一樣，這種材料的減重能力非常關(guān)鍵，尤其是在電動及混合動力汽車上。對于汽車制造商來說，另一個巨大的好處是，熱塑性塑料能幫助他們迎合生命周期結(jié)束后的回收指標，現(xiàn)在國內(nèi)國際的監(jiān)管部門都已強制執(zhí)行。
朗盛用于輕量化汽車工程的Tepex連續(xù)纖維增強熱塑復(fù)合材料
原料和中間成本的比較是復(fù)雜的，考慮到大宗商品TP樹脂(例如聚酰胺、聚丙烯)和更高性能的工程基質(zhì)(聚芳酮，如PEEK、PEKK和PAEK)之間的巨大價格差異，以及TPC中間供應(yīng)鏈的不同成熟度階段。因此，TPC的一些更明確的成本優(yōu)勢涉及重新設(shè)計以前金屬部件的選項，從而簡化制造或裝配的后續(xù)步驟。
那么，是什么阻礙了它們停滯不前呢?從最高層次看，增加使用熱塑性塑料的主要障礙包括一套不那么廣泛接受的設(shè)計數(shù)據(jù)，以及對材料性能和整體技術(shù)的熟悉程度，遠不及其表兄弟熱固性產(chǎn)品。在一些高性能的TPC應(yīng)用程序中，我們還沒有完全穩(wěn)定和足夠一致的原材料來維持公差，并且與熱固性塑料所見的空隙含量百分比相匹配。熱塑性塑料通常需要160-300℃的熔體溫度和高壓來浸漬增強纖維或注塑模具部件。所需的復(fù)雜且通常昂貴的工具和機器與用于傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料成型的非常不同。
推動TPC應(yīng)用的兩種途徑
我們認為，在過去的20年里，對技術(shù)開發(fā)的投資一直偏向于熱固性材料。但是現(xiàn)在，由于航空結(jié)構(gòu)和汽車市場都在尋找熱塑性塑料以減少循環(huán)時間，并從高壓釜中生產(chǎn)出更容易回收的復(fù)合材料，人們正在重新評估這一問題。我們假設(shè)，仍處于起步階段的TPC行業(yè)可以在兩個不同的行業(yè)部門的幫助下克服這些障礙，實現(xiàn)其預(yù)測潛力，以兩種截然不同的方式來解決這個問題。
方法1
TPCs為復(fù)合材料帶來工業(yè)規(guī)模。第一個領(lǐng)域是由大型工業(yè)化學解決方案提供商所主導，那些具有熱塑性能力的企業(yè)，通常在規(guī)模上至少比他們在熱固性復(fù)合材料領(lǐng)域的同行要至少高出一個數(shù)量級。我們看到這些化學巨頭，他們有著深厚的樹脂和聚合物的專業(yè)知識，加上熱塑性材料行業(yè)的成熟度，它們有著良好的地位和推動力，從而促進TPC行業(yè)的轉(zhuǎn)型。
對于像塞拉尼斯Celanese和索爾維Solvay這樣的大型企業(yè)來說，復(fù)合材料的吸引力在于提高利潤率，并利用大批量應(yīng)用的機會，比如作為汽車中的金屬替代品。新的復(fù)合材料和應(yīng)用的開發(fā)也為進一步區(qū)分他們的產(chǎn)品提供了空間。
我們預(yù)計在這種情況下，看到的熱塑性塑料轉(zhuǎn)換方法將包括：通過整合大規(guī)模制造技術(shù)將目標產(chǎn)品成本降低;通過在內(nèi)部實現(xiàn)復(fù)合材料和復(fù)合材料生產(chǎn)來進一步鞏固供應(yīng)鏈;并利用現(xiàn)有的與原始設(shè)備制造商的強大關(guān)系。也會出現(xiàn)重大的并購活動。在最近的交易中，我們已經(jīng)看到了這種趨勢的證據(jù)：索爾維收購了Cytec，擴大了其產(chǎn)品組合，并提升了其在航空和汽車市場的活動能力。Celanese還在2017年收購Omni Plastics和Nilit Plastics，為該產(chǎn)品組合增加了額外的復(fù)合能力和材料技術(shù)。
方法二
用TPCs擴展復(fù)合材料的覆蓋范圍。熱固性復(fù)合材料成型行業(yè)的結(jié)構(gòu)比工業(yè)TPCs的結(jié)構(gòu)更為分散，與TPC行業(yè)整體相比，其規(guī)模較小，一體化程度也較低。隨著輕量化技術(shù)變得更加成熟，預(yù)計將繼續(xù)以令人印象深刻的增長率(5年CAGR估計為6-7%)，這些應(yīng)用的利潤率也更高，而這些應(yīng)用的規(guī)模仍然小于熱塑性塑料。
市場上熱塑性塑料和熱固性塑料市場的區(qū)別在于，后者對纖維增強有更多的經(jīng)驗，并使用更復(fù)雜的多組分樹脂體系。
對于熱固性復(fù)合材料的供應(yīng)商來說，將其擴展到TPCs是增加產(chǎn)量的機會，也有可能進入熱固性復(fù)合材料不太完善的市場，因為它們的循環(huán)周期太慢，成本過高或可回收性是先決條件。比如，帝人(Teijin)和TenCate。這兩家公司都擁有強大的紡織能力，它們無疑加快了TPC的發(fā)展步伐，并在最近的行動中展示了我們之前提到的TPC方法的關(guān)鍵方面。
TenCate的熱塑性產(chǎn)品的范圍現(xiàn)在幾乎反映了其熱固性產(chǎn)品的范圍：UD帶和預(yù)浸料、增強層壓板和大體積模塑化合物，可提供一系列主要性能更高的熱塑性基質(zhì)。這是中小型系列材料性能的重點，例如航空航天前沿、地板、支架和蓋板等，我們期望從這種方法中看到。TenCate還正式確定了其行業(yè)和研究合作，通過合作伙伴加強內(nèi)部競爭力和發(fā)展，例如熱塑性復(fù)合材料研究中心(TPRC)的一級成員和其他歐洲財團和集群，如熱塑性可負擔一級飛機結(jié)構(gòu)(TAPAS)和歐洲熱塑性汽車復(fù)合材料協(xié)會(eTAC)。
帝人(Teijin)公司開發(fā)了用自己的碳纖維加固的TPC材料，并為低于60秒的汽車零部件提供高速加工技術(shù)。它還增加了零件生產(chǎn)能力和專業(yè)知識，收購了模塑商Continental Structural Plastics，并在歐洲推出了再生碳纖維增強熱塑性材料。這些下游流動和交易提供了在組件層面開始使用帝人新材料的動力。
最終，我們預(yù)測這兩種方法的各個方面將在接下來的五年時間里顯現(xiàn)出來，對整個價值鏈的深入理解是這一復(fù)雜掛毯成功的關(guān)鍵。最大的熱塑性塑料玩家被放置的很好，而且顯然非常熱衷于部署他們的發(fā)展和財務(wù)火力。最近的熱塑性汽車項目，如賓利Bentayga和奧迪Q7 SUV的底盤引擎護罩、燃料箱和中心隧道的封面，均由LANXESS Tepex TPCs品牌生產(chǎn)。這些都是熱塑性技術(shù)領(lǐng)導者參與真正的工業(yè)規(guī)模復(fù)合材料應(yīng)用的例子，這些應(yīng)用很難與熱固性復(fù)合材料相匹配。因此，我們看到化學材料巨頭最有可能實現(xiàn)最大規(guī)模的應(yīng)用。
復(fù)合材料制造專家專注于高性能的TP材料，并采用下游的收購策略，以促進其知識與技術(shù)的快速應(yīng)用，尤其適合于在諸如航空航天或醫(yī)療等更多利基應(yīng)用中的發(fā)展。我們也期待在此看到并購活動，因為這些技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)是主要熱塑性塑料制造商，他們希望將熱固性和熱塑性復(fù)合材料專業(yè)知識整合到其運營中來，這是具有吸引力的目標。
有種趨勢也開始慢慢呈現(xiàn)出來，就是在材料間競爭日益激烈化時，熱塑性復(fù)合材料越來越多地被應(yīng)用在新產(chǎn)品上，這種趨勢將直接影響熱塑性復(fù)合材料的行業(yè)動態(tài)。
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