Компаунды из коротких углеродных волокон расширяют возможности термопластичных композитов

Семейство коротких армированных углеродным волокном термопластов (CFRTP), специально разработанных для литья под давлением, используется для расширения возможностей термопластичных композитов с различными размерами деталей и различной степенью сложности. Интересно отметить, что эти материалы превосходят по характеристикам композиционные материалы из длинноволокнистого термопласта (LFT) (из стекловолокна или углеродного волокна), а также металлы во все более широком диапазоне применений - от спортивных товаров и автомобильных запчастей до медицинских устройств и аэрокосмических компонентов.>

Молдер превратился в компаундера

Эти материалы разработаны и продаются компанией Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Токио, Япония). MCAM объединяет несколько ранее отдельных предприятий, приобретенных материнской компанией за последнее десятилетие. К ним относятся бывшая компания Quadrant AG (Ленцбург, Швейцария), производитель термопластов из стекломата (GMT) и органо-листовых композитов, а также термопластичных инженерных форм, а также компания Piper Plastics Inc. (Чандлер, Аризона, США), которая начала свою деятельность. как литьевой формовщик и производитель прецизионных деталей, а затем расширился до индивидуального компаундирования CFRTP - сначала для собственного использования, а затем и для других формовщиков.

Приблизительно в 2012 году Piper была специализированной литьевой машиной среднего размера, обслуживающей клиентов, занимающихся аэрокосмическими и спортивными товарами / оборудованием для отдыха. Руководство компании хотело расширить свой бизнес по производству деталей, но столкнулось с двумя проблемами. Во-первых, у нее возникли проблемы с поиском соединений, которые, по мнению команды, позволили бы компании конкурировать в сегментах рынка с более высокими характеристиками. Во-вторых, компания хотела выйти на автомобильный рынок, но не имела достаточных мощностей для литья под давлением, чтобы участвовать в крупных программах.

Первая проблема была решена путем целенаправленных исследований и разработок различных базовых смол и технологий проклейки волокон, что привело к разработке семейства высокоэффективных литьевых компаундов CFRTP под названием KyronMAX. Эти материалы содержат такие матрицы, как полиамид 6/6 (PA6 / 6), полифталамид (PPA), полиэфиримид (PEI), полифениленсульфид (PPS), полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиарилэфиркетон (PAEK), армированные коротким рубленым углеродным волокном. Компаунды, большинство из которых обладают высокими тепловыми характеристиками, широкой химической стойкостью, хорошими механическими характеристиками и значениями низкого пламени / дыма / токсичности (FST), были разработаны не только для замены материалов для литья под давлением с коротким стекловолокном и минеральным наполнителем, но и Компаунды LFT (со средней начальной длиной волокна 13 миллиметров) и даже металлы.

«В техническом описании компаунды LFT выглядят прочнее, но часто они не могут заполнить те геометрические формы деталей, которые мы можем заполнить с помощью технологии короткого углеродного волокна», - объясняет Алекс Войтысяк, менеджер по работе с ключевыми клиентами MCAM по композитам. «Поскольку наш поток намного выше, мы можем лучше заполнять сложную геометрию, поэтому наши компаунды производят детали, которые значительно прочнее».

«Дело не в том, что мы намеревались создать широкий спектр соединений CFRTP, а в том, что каждый из них был разработан для удовлетворения конкретных потребностей конкретного клиента», - добавляет Клинт Ньюэлл, менеджер по глобальным технологиям композитов MCAM. «По мере того, как наши возможности по разработке рецептур росли, мы выходили на новые рынки, встречались с новыми клиентами, спрашивали, что им нужно, и приступили к созданию идеального состава для удовлетворения этих потребностей».

Неудивительно, поскольку эти соединения изначально были сформулированы формовщик для как формовочная машина, они были разработаны для обеспечения свойств, которые упростили их обработку и позволили постоянно получать более качественные детали с лучшими эксплуатационными характеристиками. «Мы сформулировали нашу линейку продуктов KyronMAX, чтобы обеспечить более высокий поток и взаимодействие волокон, более низкие внутренние напряжения, меньшую анизотропию, более сильные линии сварки, меньшее количество утяжек, меньшую тенденцию к короблению и большую точность размеров - независимо от того, были ли секции стенки толстыми или тонкими», отмечает Дэйв Уилкинсон, директор по исследованиям и разработкам MCAM. «В дополнение к нашей разработке рецептур и уникальной технологии калибровки, мы также внесли свои собственные модификации в пресс для более эффективного использования этих материалов».

Почему необычное название продукта? «В древнегреческих мифах Кайрон (также пишется как Хирон) был наполовину кентавром, а наполовину человеком, - объясняет Рэнди Уайт, директор по инновациям MCAM. «Кайрон использовал свои уникальные личные навыки, чтобы подняться над своей звериной природой. Мы сравнили это с нашими составами, состоящими наполовину из углеродного волокна и наполовину из смолы, прочных, как лошадь, и умных, как человек, для простоты обработки ».

По мере роста опыта в области рецептур компания привлекла внимание Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Токио, Япония), которая приобрела Piper в 2016 году. MCHC немедленно вложила значительные многомиллионные инвестиции в увеличение размера линии по производству смесей в Аризоне. , автоматизировать операции и внедрить собственные технологии калибровки и измельчения углеродного волокна, позволяющие производить компаунды KyronMAX быстрее, с большей стабильностью и эффективностью. Впоследствии была открыта вторая линия компаундирования в Мичигане и третья в Японии. Эта расширенная мощность означала, что марки KyronMAX могли конкурировать за автомобильный бизнес в Северной Америке и Азии. Другие рынки последовали этому примеру.

Расширенное предложение продуктов, новые рыночные возможности

Теперь, благодаря более мощным производственным мощностям и доступу к более широкому спектру материалов из полимеров и углеродных волокон, команда MCAM была занята разработкой ряда новых продуктов, некоторые из которых были специально разработаны для автомобильного рынка. Одним из наиболее интересных является KyronMAX ES 4240, который, как говорят, является первым в мире компаундом для литья под давлением короткого углеродного волокна, который преодолевает предел прочности на разрыв 414 МПа (60 000 фунтов на квадратный дюйм). Этот сорт, который был представлен на конференции SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) в 2019 году в пригороде Детройта, представляет собой полипропилен с углеродным волокном, армированный углеродным волокном, с массовой долей волокна 40%, который также предлагает значения модуля упругости при растяжении 41,2 ГПа, значения модуля упругости при изгибе. 34,5 ГПа и значения прочности на изгиб 552 МПа. PPA - это специализированная форма полиамида с лучшей термической и более широкой химической стойкостью и гораздо более низкой тенденцией к гидролизу, чем обычные PA6 и PA6 / 6.

Другие автомобильные марки, представленные на SPE AutoEPCON в 2019 году, включают высокотемпературную марку PPA, армированную углеродным волокном, специально разработанную для применения под капотом. Считается, что эта марка имеет температуру стеклования (T _g ) и температуре непрерывного использования (CUT) не уступает PEEK, но его легче формовать. Учитывая чувствительность к стоимости крупных отраслей, таких как автомобилестроение и мелкая бытовая техника, неудивительно, что команда также работает над продуктом KyronMAX на основе полипропилена (ПП).

По мере расширения продуктовой линейки увеличивались и рынки, на которых используются эти материалы. В дополнение к долгожданному автомобильному бизнесу компания теперь предлагает медицинские устройства (как долговечные, так и одноразовые), небольшую бытовую технику и бытовую электронику (металлические сменные чехлы / крышки). Авиация / аэрокосмическая промышленность по-прежнему важны, как и отрасль спортивных товаров, которая выросла и теперь включает в себя гоночные велосипеды, горные велосипеды, клюшки для гольфа, огнестрельное оружие, блочные луки и другие детали для стрельбы из лука. Благодаря нескольким продуктам, предлагающим значения коэффициента линейного теплового расширения (CLTE), аналогичные значениям коэффициента линейного теплового расширения (MIM) алюминия и магния, литого под давлением (MIM), - хотя и с лучшей прочностью, меньшим весом и более низкой стоимостью - команда обнаруживает, что заменяет металлы во все большем количестве применений. .

Что дальше? Имея доступ к более широкой организации Mitsubishi по всему миру, команда MCAM может получить доступ к технологиям, представляющим более широкий портфель композитов, который охватывает термопласты, а также термореактивные химические вещества, с различными типами армирования и длиной. Например, другая группа Mitsubishi производит формовочный компаунд (FMC), усовершенствованная форма листового формовочного компаунда (SMC), которая помогает устранить разрыв в производительности и обработке между коротким стекловолокном или углеродным волокном SMC и непрерывным армированным углеродным волокном препрегом. Еще одна группа компаний производит тканые и нетканые препрег, армированный углеродным волокном, и препрег быстрого отверждения для формования прессованием (ПКМ).

Внутри самой MCAM еще одна технология, которая приближается к коммерциализации, - это новое семейство текстильных (нетканых, тканых и однонаправленных) сухих препрегов, армированных термопластом матрицы под названием KyronTEX. Эти продукты в настоящее время проходят стратегическую выборку.

Наконец, прошлым летом MCAM приобрела CarbonNXT GmbH и дочернюю компанию CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG (оба Вишхафен, Германия), добавив полную линейку технологий переработки углеродного волокна в ассортимент продукции группы. Сообщается, что команда MCAM тестирует несколько формул с использованием переработанного углеродного волокна перед соответствующими коммерческими продуктами.