短切碳纖維增強配混料擴大了熱塑性復合材料的應用范圍

文/ CompositesWorld PEGGY MALNATI

由重量百分比高達50%的碳纖維和一系列熱塑性基體樹脂配制而成的注射級別配混料正在擴大熱塑性復合材料的應用范圍。

專為注射成型應用而配制的一系列短切碳纖維增強熱塑性塑料（簡稱CFRTP）配混物，正在擴大熱塑性復合材料的應用范圍，能夠適應更多的部件尺寸和復雜形狀。有趣的是，從體育用品和汽車部件，到醫療設備和航空部件，在越來越多的應用領域中，這些材料的性能已經超越了長纖維增強熱塑性（LFT）復合材料（采用玻纖或碳纖增強）和金屬材料。

成型商變成配混商

這些材料由日本三菱化學先進材料有限公司（簡稱MCAM）配制和銷售。過去十年來，MCAM合并了母公司以前收購的幾個獨立業務，包括：前瑞士Quadrant公司，這是一家玻纖氈熱塑性塑料（GMT）、有機片材復合材料及熱塑性工程制品的生產商，以及曾經的美國Piper Plastics 公司，該公司從注射成型精密機械零件起家，后來將業務擴展到訂制CFRTP 配混料——首先滿足自用，然后為其他成型商供料。

大約在2012年，Piper Plastics 公司還是一家服務于航空、體育用品和娛樂設備等客戶群體的中等規模的訂制化注射成型商，當時，該公司的領導層希望發展其零部件制造業務，但卻面臨著兩大挑戰：首先，該團隊在尋找各類配混料以使其覺得能讓該公司在有著更高性能要求的細分市場中具有競爭力方面遇到了麻煩；其次，該公司想要進入汽車市場，但沒有足夠的成型能力參與主要項目的競爭。

第一個問題通過集中研發各類基礎樹脂和纖維漿料技術而得到了解決，從而開發出一系列高性能、可注射成型的CFRTP配混料，商品名為KyronMAX。這些材料采用的基體樹脂如PA6/6、PPA、PEI、PPS、PEEK和PAEK等，增強材料為短切碳纖維。配制的這些配混料，不僅取代了短玻纖增強的和礦物填充的注射級別的材料，而且取代了LFT配混料（平均起始纖維長度13 mm）甚至金屬，其中的大多數都提供了高耐熱性、廣泛的耐化學性、良好的力學性能以及低易燃、低煙霧和低毒性等優勢。

“在數據表上，LFT配混料看起來更強，但通常，它們無法填充我們可以用短切碳纖維技術填充的這類部分的形狀。”MCAM的復合材料大客戶經理Alex Wojtysiak解釋說，“由于我們的材料擁有很高的流動性，能更好地填充復雜的形狀，因此采用我們的配混料生產出的部件要堅固得多?！?/p>

“并不是說我們要著手去創造廣泛的CFRTP配混料，而是要使開發的每一種材料都能滿足特定客戶的特殊需求?！盡CAM 的全球復合材料技術經理Clint Newell補充道，“隨著我們開發配方能力的增強，我們進入了新的市場，遇到了新的客戶，從而了解了他們的需求，并能夠著手去創造一種完美的配混料來滿足他們的需求。”

由于這些配混料最初是由一家成型商為另一家成型商所配制，因此使得它們能夠被設計成擁有易于加工的性能，從而能夠始終如一地生產出更高質量、更好性能的部件。“我們配制我們的KyronMAX產品線，以提供更高的流動性和纖維交互性、更低的內部應力，同時各向異性小、熔接線強、縮痕少、翹曲變形傾向低且尺寸精度更高，而無論成型部件的斷面是厚的還是薄的?！盡CAM的研發總監Dave Wilkinson表示，“除了我們的配方和獨特的漿料技術外，我們還對自己的壓機作了改進，這樣可以更高效地加工這些材料?！?/p>

為什么要用這個不同尋常的產品名稱呢? “在古希臘神話中，Kyron（也被拼寫成Chiron）是半人馬半人類的意思?！盡CAM 的首席創新官Randy White說，“Kyron用它獨特的個體技能，超越了它的野獸本性。我們將Kyron比作我們的配混料，希望這些一半是碳纖維、一半是樹脂的配混料像人馬一樣強壯、像人一樣聰明，加工起來很容易?！?/p>

隨著配方專業知識的增長，該公司引起了日本三菱化學控股集團的注意，該集團于2016年收購了Piper Plastics。MCHC立即投資了數百萬美元來提升其在美國亞利桑那州配混生產線的規模。自動化的操作結合引進自己的碳纖維漿料和切碎技術，使得KyronMAX配混料能以更快的速度、更高的一致性被生產出來。隨后，MCHC在美國密歇根州建立了第二條配混生產線，在日本建立了第三條配混生產線。這些擴張的產能意味著KyronMAX 級別的材料在北美和亞洲的汽車市場中可能具有競爭優勢。

為了向航空領域的客戶展示KyronMAX復合材料的性能，MCAM設計并制造了一種用于航空母艦的普通的四分之一回轉固定門閂。由于高負荷要求，目前該部件由鋁制成。而30%重量百分比的短切碳纖維增強PEI 材料（KyronMAX S 6230）憑借其力學性能以及在阻燃、煙霧和毒氣方面的優勢而被選中用于取代鋁。該復合材料的部件不僅滿足了鋁所能達到的性能要求，而且令重量減輕了一半，目前正在接受幾家客戶的評估。此外，它們還能得到噴涂以與飛機內飾顏色保持一致（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）

擴大產品供給，新的市場機遇

現在，憑借更大的產能以及能夠獲得更廣泛的聚合物和碳纖維材料，MCAM團隊一直在忙于開發一系列的新產品，其中一些是專門為汽車市場配制的，最有趣的一個是 KyronMAX ES 4240，據說它是世界上第一個突破了414 MPa拉伸強度的短切碳纖維增強的注射級別配混料。它所突破的那個級別的材料，是在2019年的SPE汽車工程塑料會議（AutoEPCON）中被推出的，是40%纖維重量百分比的碳纖維增強PPA，該材料還提供了41.2 GPa的拉伸模量、34.5 Gpa的彎曲模量和552 MPa的彎曲強度。PPA是一種特殊形式的聚酰胺，具有更好的耐熱性和更廣泛的耐化學性，水解趨勢遠低于傳統的PA6和PA6/6。

在2019年 的SPE AutoEPCON會議中推出的其他汽車級別的材料還包括專為發動機蓋下應用而開發的一種耐高溫的碳纖維增強PPA級別，據說該材料的玻璃化轉變溫度（Tg）和連續使用溫度（CUT）能與PEEK相媲美，但更易于成型。毫無疑問，考慮到像汽車和小家電這樣的大批量生產行業對成本的敏感性，該團隊還在研究聚丙烯基的KyronMAX產品。

專為汽車應用而開發的新的可注射成型CFRTP配混料KyronMAX ES 4240，是一種40%重量百分比的短切碳纖維增強 PPA，據說它是第一個突破414 MPa拉伸強度的材料（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）

隨著其產品線的擴大，使用這些材料的市場也在不斷擴大。除了渴望已久的汽車業務外，現在該公司還服務于醫療器械（耐用的和一次性的）、小型家電及消費電子產品等領域。航空/航天仍然很重要，體育用品行業也是如此，在這些領域中，該公司已經發展到涵蓋賽車、山地車、高爾夫球桿、復合弓及其他射箭部件等應用。有多種產品提供的線性熱膨脹系數（CLTE）類似于金屬注射成型（MIM）的鋁和鎂，它們有更好的韌性、更輕的重量和更低的成本——該團隊發現，其材料在越來越多的應用中取代了金屬。

隨著與全球范圍內的三菱公司日益廣泛的接觸，現在MCAM團隊能夠獲得代表更廣泛復合材料產品組合的技術，跨越了熱塑性塑料和熱固性塑料，且可以采用更廣泛的增強材料類型和纖維長度。

在MCAM內部，另一項接近商業化的技術是采用熱塑性基體材料的織物（非織造織物、編織織物和單向織物）增強的干預浸料，名為KyronTEX，這些產品目前正在進行戰略性取樣。2021年夏季，MCAM 收購了德國carbonNXT 公司及其姐妹公司德國CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG 公司，從而將一整套碳纖維回收技術引入該集團的產品生產中。據說 MCAM團隊將在多種配方中試用回收碳纖維，然后推出合格的商業化產品。