增强热塑性塑料，下一波浪潮？

作者：George Marsh

欢迎访问e展厅 展厅 1 工程塑料展厅 聚乙烯(PE), 聚苯乙稀PS, 聚酰亚胺PI, 聚酰胺PA, PA66塑料(尼龙), ... 热塑性复合材料（TPCs）是一项诱人的技术，将在增强塑料市场获得越来越大的份额。 想象一下从电动汽车的快速热成型结构件，到快速移动的空气动力学表面上的抗冲击前缘的每件产品，很多人都将这类材料视作复合材料未来的新浪潮。也有人将其看作是特异性高端应用与大众市场之间所缺失的一环。 讽刺的是，热塑性塑料与金属之间的竞争与热固性塑料一样面临掣肘。借由广泛的应用基础和设计师日益强大的自信心，热固性塑料的应用迄今已经累积了大量的经验，使得这些复合材料能够替代金属或与之配合使用。但事情不总是如此，热塑性复合材料面临着与热固性复合材料同样的一些阻碍，后者已对其加以大力克服——即缺少熟悉度，没有已建立的设计规范，缺乏材料性能数据和得到验证的生产技术等。投资总是倾向于经过反复考验的传统复合材料，导致了增强热固性复合材料的繁荣发展，而热塑性复合材料则被认为具有高风险，唯有从阴影中逐步前进。然而当前，热塑性塑料得到了更多的了解，人们知道它能够带来的更多。 对飞行器而言，它们能带来数倍于其竞争对手热固性塑料的出众的抗冲击性，具有防火、低烟、无毒的特性，耐受大多数航空流体，以及制造前在材料仓库中的无限储存期。由于可熔融加工，它们能采用热成型，之后也可在新应用中再成型。它们可采用熔接制造具有高度完整性的连接口，避免因采用紧固件而增加重量又耗费成本。在其使用期结束时，它们还可回收。其生产工艺通常都比较快，一般无需采用热压罐固化。生产过程中的挥发性有机物排放也根本不成问题。还可以采用纤维自动铺放设备及其他自动化设备。这类复合材料适用于高度集成结构，这一特点加上其重量轻的特质，使之在最小化结构件数量方面与热固性材料一样富有价值。 汽车行业非常重视生产周期，比起领先的商业飞机制造商每月力争生产10到12 架飞机，这个行业每天都要生产成百上千的汽车。的确，热塑性复合材料可以在仅仅几分钟的生产周期内加工完成，仅是热固性塑料部件所需固化时间的一小部分。与在航空领域中一样，这种材料的减重能力非常关键，尤其是在电动及混合动力汽车上。对于汽车制造商来说，另一个巨大的好处是，热塑性塑料能帮助他们迎合生命周期结束后的回收指标，现在国内国际的监管部门都已强制执行。 不好的地方在于，由于大多数热塑性树脂天生具有高粘度，不是像热固性塑料那样的液体，因此它在浸渍增强纤维时就比较难，通常需要树脂融化所需的温度和一定压力的配合。需要专门的模具和设备，从而增加了制造成本。而热塑性树脂与增强纤维之间的连接强度仍可能存在问题，尽管纤维浸润剂和表面处理技术已经逐渐减少了这些问题。 另一个缺点在于，事实上有些热塑性塑料在长时间负载下比热固性塑料更倾向于发生蠕变。某些热塑性塑料则会在阳光直射和紫外光下发生降解。某些则会在高温下熔化，尽管有些热塑性塑料能够承受300℃以上的温度。 以下是一些关于热塑性塑料如何在一些特定领域中“引起轰动”的例子。 航空航天 航空器的建造者为热塑性复合材料结构开辟了一条道路，该行业偏爱高规格的树脂，比如聚醚醚酮（PEEK）、聚醚酮（PEK）、聚醚酰亚胺（PEI）、聚醚砜（PES），以及聚苯硫醚（PPS）。例如， 十几年前， 韦斯特兰直升机（Westland Helicopters） 采用PEEK试验制造了具有复合材料水平尾翼的直升机。如今，阿古斯特• 维斯特兰（Agusta-Westland），原公司的Anglo-Italian 企业继任者，在其商业化生产的AW169 直升机上采用了碳纤维增强PPS水平尾翼。3 米长的水平尾翼主体包上包含了四个预成型面板，这些面板在压力下通过热熔接相连。热塑性塑料的高耐冲击性在水平尾翼前缘上显得特别有价值。总的来说，这种设计比阿古斯特• 维斯特兰公司以往同类的金属设计要轻15%。这款水平尾翼采用由荷兰专家TenCate 先进复合材料公司（TenCateAdvanced Composites BV）生产的热塑性复合材料预浸布，这种材料采用了德国泰科纳公司（Ticona GmbH） 的Fortron 碳纤维PPS。福克航空结构公司（Fokker Aerostructures）作为该结构的设计者也参与了这项获奖项目。 TenCate 公司一直以来都是连续纤维增强热塑性复合材料主要的支持者和开发者，该公司现已向市场推出了一系列材料，包括碳纤维、玻璃纤维及氨纶纤维增强的PEEK、PEI 及PPS 树脂单向纤维预浸料，以TenCate Cetex® 品牌出售。空中客车的龙头产品超大型飞机A380 的机翼前缘和较小型的四发动机飞机A340 采用了以PPS 为树脂基的复合材料，再度确保了高耐冲击性。Cetex半预浸料保护空客A400M 阿特拉斯军用飞机的机身侧面区域，使其免受四涡轮螺旋桨发动机军用运输机的螺旋桨尖端在某些天气条件下甩落的冰块影响。 湾流宇航公司（The GulfstreamAerospace）G650 公务机拥有热塑性复合材料方向舵和起落架，这两部分的零组件采用了感应焊接来连接。其结构由TenCate Cetex 碳纤维增强PPS 预浸料制造。工艺采用了一台感应焊接机器人将翼梁和翼肋焊接到蒙皮上，碳纤维则有助于工艺过程中的热传导。为了获得最高的质量水平，这些零部件还在热压罐内进行了一个额外的循环。TenCate先进复合材料有限公司集团董事FrankMeurs 称此为热塑性复合材料的一种典型应用。 “这一应用将先进的设计、材料和工艺齐聚到了一个成功的组合中，获得了高性能的飞机主结构件。抗冲击性能、较轻的重量以及部件的整合度是其优势所在。” 此外，飞机操纵面被认为是商业飞机最早使用的热塑性复合材料主结构件，据说其重量不到过去（热固性）复合材料重量的十分之一，而成本则不到它的五分之一。 TenCate 公司的材料应用于一系列的商业及军事航空领域，包括雷达罩、无人机、直升机、轻型飞机、导弹、卫星和空间站。Frank Meurs 指出，该公司在热塑性复合材料领域，尤其是航空航天领域，拥有25 年的应用经验。其热塑性复合材料预浸料具有丰富的“飞行”经验，它们因其最佳的树脂化学，以及采用具有成本效益的非热压罐工艺提高零部件产量和生产力而受到重视。 该公司也向工业、休闲、通讯和弹道防护系统的制造商提供热塑性复合材料及其专业技术。 总体来说，荷兰已经建成了一套有关纤维增强热塑性塑料的领先专业技术。在材料研发领域，TenCate 还与代尔夫特理工大学（the University ofDelft）拥有长期合作；而在热塑性复合材料领域，屯特大学（the University of Twente）的生产技术研发小组自2008年已与TenCate 公司、福克航空结构公司以及波音公司并肩工作，并重点关注连接和焊接方法。 最近， 法国的一级供应商Daher-Socota 加入了这个团体，助力于航空用增强热塑性塑料技术的开发和促进。这家法国公司在增强热塑性塑料领域拥有大量的跟踪记录，该公司的总裁和首席执行官指出，仅在2013 年，公司就向五个飞机项目交付了零部件。 根据Daher 的声明，“这些高科技材料的应用正日渐增长，因为它们能带来优于热固性复合材料的显著优势，它们能在高温下成型和焊接，使之适用于如超声波和感应焊接技术这样的快速生产技术。” Daher-Socota 使用了一系列纤维和树脂的材料组合，包括适用于PEEK、PEK、PPS 和PEI 树脂基的碳纤维和玻璃纤维。其在法国南斯的制造中心为空客A400M 阿特拉斯军用运输机生产驾驶舱地板；为颇受欢迎的A320 商用飞机生产翼梁、翼肋和吊架组件；以及为新的空客A350 XWB 飞机生产连接复合材料机身壁板与下方翼肋和桁条结构的各式接头。紧固件以TenCate 的CetexPPS 基预浸料制造，其具有定制的层数和纤维方向。这些预浸料以规格为3.7×1.2 米的片材供货，厚度在2 ～ 5毫米。这些片材经过裁切，然后通过红外线预加热，再放入加热模具中压制成型。 成本，尤其是PEEK 的成本，仍然制约了航空用热塑性塑料的应用。业界意图更加广泛地采用成本更低、加工更快的PEKK 材料，却因该材料较低的机械性能受到阻碍，但研究人员希望研发出一种性能和成本介于PEEK 和PEKK之间的新型树脂基材料。这种材料能够担当在机翼中的应用，在该应用中，其对航空燃油和其他航空液体的耐腐性特点将会非常有利。 汽车 另一个为热塑性塑料带来巨大希望的领域是汽车，尤其是电动汽车，其有望终结那无所不在的内燃机汽车的统治地位。电动汽车现在真的在马路上出现了。一个有趣的例子是德国知名汽车制造商的BMWi3。这辆五门的城市电动汽车是宝马公司的首辆零排放量产车，同时也是首款拥有热塑性塑料外蒙皮的车型。尽管在此案例中的热塑性塑料并非纤维增强材料，但其应用将有助于加速技术型热塑型塑料在公路车辆上的采用，既包括增强型，又包括非增强型材料。因而值得在此一提。 为了兑现其单次充电可行驶80 ～ 100 英里的承诺（要实现更远的里程，尚有一种混杂材料可供选择），BMWi3 被设计得尽量地轻。因此，其内部结构和大部分的车身由碳纤维增强热固性塑料制造，而外蒙皮除车顶采用了可回收碳纤维增强热塑性塑料之外，采用的是EDPM 改性PP 热塑性塑料。 宝马公司表示，外蒙皮不但特别轻而且防腐蚀，并具有高度耐损伤性能，制造所需能量也更少。该热塑性塑料结构在宝马的莱比锡工厂生产，采用了25% 可回收或可再生的材料。像传统宝马车型的前后挡板一样，BMWi3 的零部件采用注塑成型，成型后在高温下熔融连接。 最终得到一副坚固的汽车车身，重量仅为同类由钢焊接面板制造的车辆的一半。它的许多内部组件由碳纤维增强聚氨酯（PU）制造，据说这是此种热塑性复合材料的首个车辆应用。例如，有一种复合材料由来自可回收碳纤维增强塑料的纤维来增强聚氨酯树脂基，它被用来制作后座壳体。预计这种技术未来将获得广泛的应用。 其他应用包括一些特制零件。例如，瑞士公司Kringlan Compos ites 与先进复合材料公司合作为高性能汽车研发一种碳纤维增强热塑性塑料车轮。Kringlan 负责设计和制造，而TenCate 则投入了其热塑性复合材料方面的专门技术。有望比同等金属车轮减少30 ～ 40% 的重量。Kringlan 指出，其已经开发了一种专利技术，能用于复合材料车轮的连续生产，遵循了业界最高的性能标准，包括承重大以及耐冲击力好。TenCate 预测，未来，热塑性复合材料、数字印刷以及先进的3D 设计技术将同时出现在一系列汽车组件上，这将帮助汽车制造商们满足日渐严格的立法要求，不仅在减少排放和道路安全方面，也包括使用寿命结束后的回收利用方面。 在几种目前正处于不同研发阶段的未来应用中，有一种自动倾卸卡车的翻斗（倾倒部分）采用了热塑性复合材料，而“超级巴士”，一种所谓的巴士系统，其大部分结构都基于热塑性复合材料。TenCate 公司的Frank Meurs 为车用热塑性复合材料预言了一副锦绣前程。正如他对《增强塑料》（ReinforcedPlastics）杂志所说。 “在减少与热固性材料制造相关的工艺时间上还有很大的空间。这一点对于像汽车这样大批量制造的产品来说是无比重要的。另一个好处是零部件的组合相对容易，以致零部件数量大大减少，并将在未来加快整体生产速度。我认为，未来增强型热塑性塑料将在汽车的主要结构件，比如立柱和车架上增加使用。” TenCate 还与巴斯夫公司建立了合作联盟，共同研发模塑材料，其将在不同密度和方向上采用长纤维增强材料，这取决于汽车客户对结构的要求。 可再生 增强型热塑性塑料在可再生能源结构上也有很大的发展空间。例如，风机叶片的制造商受到热塑性复合材料可能相对较短的模具周期和相对简单的修复和再循环能力吸引，尽管他们目前还对成型如此巨大的产品的实际可操作性，以及不确定的静态特性、疲劳性能、吸水性，尤其是制造成本感到信心不足。 工艺需要采用一种液体树脂或接近液体的树脂，因为在大型实用型风机叶片的生产中，在压力下熔融共混具有高粘度的基体材料是不可行的。因此，爱尔兰的EireComposites Teo 公司采用环对苯二甲酸丁二酯（cyclic butyleneteraphthalate，即CBT）生产了一个长12.6 米（85 英尺）的风机叶片，这种材料是一种液态模塑热塑性塑料，采用玻纤增强。这个研发项目是该公司“绿色叶片”（Greenblade）项目的一部分，旨在开发大型热塑性复合材料叶片，这种叶片比目前占主导地位的热固性复合材料叶片的质量更轻，价格更低，而且它的生产速度更快，在使用寿命结束后还可回收利用。与EireComposites 公司合作的是三菱重工（Mitsubishi HeavyIndustries）、奥斯龙玻璃纤维（AhlstromGlassfibre）和Cyclics Corporation。 同时， 荷兰的叶片制造商GlobalBlade Technology（现已破产的GeneralBlade Technology BV 的贸易名称），将叶片的经济可承受性作为目标，与代尔夫特理工大学的一个团队并肩工作，该团队开发了一种阴离子聚酰胺（APA-6），这是一种反应型热塑性塑料，具有高度的流动性和可加工性，与热固性塑料有几分相似。源自代尔夫特的消息称，APA-6 的粘性就像水一样，因此在复合材料的初期生产阶段非常容易浸润纤维增强材料。据说，这种热塑性塑料显示了杰出的静态特性和很好的耐疲劳性，这是风机叶片用复合材料的其中一个主要条件。经济可承受性、较短的灌注和固化周期，以及经济再循环性则是其宣称的其他优势。 然而实验表明，APA-6 可能比CBT 更易吸湿，因此需要在整个生产周期中进行干燥。哪种低粘性基体材料最适合制造风机叶片，或者是否有其他更加适合的热塑性塑料，有关的争论还在继续。无论选择了何种材料，都必须适用于大部分叶片制造商已经采用的真空灌注成型工艺，并且必须能够大批量供应。 目前，一个由欧盟委员会在欧盟第七框架计划下建立的为期四年的项目，正处于改进叶片设计的阶段，改进方法是通过在海上风电叶片的某些零部件中用高性能热塑性复合材料代替热固性材料。“采用具有成本效益的先进复合材料之风机叶片的轻量化设计项目”（WindBlade Using Cost-Effective AdvancedComposite Light-Weight Design， 简称WALiD）始于2013 年，旨在向风机叶片的叶根、叶尖、叶壳夹芯及抗剪腹板引入热塑性复合材料，以减轻重量、减少成本。用热塑性泡沫材料取代外壳夹芯能令芯材密度得到优化，适应叶片不同区域所承受的负载，也能与快速自动化工艺相配合。有一种热塑性塑料涂层能够提高叶片的环境抗力和耐磨性，以及防冰性能和耐用性。欧洲十一国组织组成了WALiD 财团，向该项目提供了五百多万欧元，欧盟委员会则提供了大约四百万欧元。 某些企业和机构，比如丹麦的LM风电集团（LM Wind Power）担心，采用热塑性复合材料技术在风机叶片上代替传统热固性塑料太过昂贵，而且目前尚无热塑性复合材料系统已经准备好挑战热固性塑料的首要地位。 即使是EireComposites 公司显然也对干燥周期、粘度变化、模具冷却、CBT的可用性等影响因素持保留意见，令其转而寻求新型热固性塑料解决方案，例如采用环氧树脂粉末技术。然而，热塑性复合材料与生俱来的吸引力依然巨大，研发人员仍在继续寻找能够为这种类型的复合材料在叶片的制造中带来转折点的材料、模具和工艺方法的组合。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/27/2015)