Компаунды с коротким углеродным волокном расширяют применение термопластиковых композитов

Семейство термопластиковых компаундов, усиленных коротким углеродным волокном (CFRTP), специально сформулированных для литья под давлением, используется для расширения возможностей термопластиковых композитов в различных размерах и сложностях деталей. Интересно, что эти материалы проявили превосходство над термопластиками с длинным волокном (LFT) (со стекловолокном или углеродным волокном), а также над металлами в растущем спектре применений — от спортивных товаров и автомобильных деталей до медицинских устройств и авиационных компонентов.

От литейщика к компаундеру

Материалы формулируются и продаются компанией Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Токио, Япония). MCAM объединяет несколько ранее отдельных бизнесов, приобретенных материнской компанией за последнее десятилетие. К ним относятся бывшая Quadrant AG (Ленцбург, Швейцария), производитель стекломатированных термопластиков (GMT) и органолистов композитов, а также термопластиковые профили, и бывшая Piper Plastics Inc. (Чандлер, Аризона, США), которая начала как литейщик под давлением и производитель точно механически обрабатываемых деталей, а позже расширилась в кастомную компаундацию CFRTP — сначала для собственных нужд, а позже для других литейщиков.

Около 2012 года Piper был средним кастомным литейщиком под давлением, обслуживающим клиентов в авиации и спортивных товарах/рекреационном оборудовании. Руководство компании хотело расширить бизнес по производству деталей, но столкнулось с двумя вызовами. Во-первых, было трудно закупать компаунды, которые команда считала способными обеспечить конкурентоспособность в сегментах более высокой производительности. Во-вторых, компания хотела войти в автомобильный рынок, но не имела достаточно свободной литейной мощности для конкуренции на крупных программах.

Первая проблема была решена путем применения сфокусированных НИОКР по различным базовым смолам и технологиям размеров волокна, что привело к разработке семейства высокопроизводительных литьевых CFRTP компаундов под названием KyronMAX. Эти материалы имеют матрицы такие как полиамид 6/6 (PA6/6), полифталамид (PPA), полиэтеримид (PEI), полифениленсульфид (PPS), полиэтерэтеркетон (PEEK) и полиарилэтеров (PAEK), усиленные короткорезаным углеродным волокном. Компаунды — большинство из которых предлагают высокую тепловую производительность, широкую химическую стойкость, хорошие механические свойства и низкие значения дымовыделения/токсичности (FST) — были сформулированы не только для замены компаундов для литья под давлением, усиленных коротким стекловолокном и минеральными наполнителями, но и LFT компаундов (со средней начальной длиной волокна 13 мм) и даже металлов.

«В каталоге LFT компаунды выглядят прочнее, но часто они не могут заполнять те геометрии деталей, которые мы можем заполнить с технологией короткого углеродного волокна», — объясняет Алекс Войтиziak, менеджер ключевых счетов MCAM — композиты. «Поскольку наша текучесть намного выше, мы лучше можем заполнять сложную геометрию, поэтому наши компаунды производят детали, которые значительно прочнее».

«Не столько мы стремились создать широкий ассортимент CFRTP компаундов, сколько каждый из них разрабатывался для удовлетворения конкретных потребностей конкретного клиента», — добавляет Клинт Ньюэлл, глобальный менеджер по технологиям композитов MCAM. «По мере роста наших возможностей по формулировке мы входили на новые рынки, встречались с новыми клиентами, спрашивали, что им нужно, и приступали к созданию идеального компаунда для удовлетворения этих потребностей».

Неудивительно, что поскольку эти компаунды изначально формулировались литейщиком для литейщика, они были спроектированы для обеспечения свойств, делающих их легкими в обработке и стабильно дающих детали более высокого качества и лучшей производительности. «Мы сформулировали нашу линейку продуктов KyronMAX для обеспечения более высокой текучести и взаимодействия волокна, более низких внутренних напряжений, меньшей анизотропии, более прочных линий сварки, меньшего количества впадин, меньшей склонности к варпингу и большей размерной точности — независимо от того, были ли стенки толстыми или тонкими», — отмечает Дэйв Уилкинсон, директор НИОКР MCAM. «Помимо нашей работы по формулировке и уникальной технологии размеров, мы также внесли свои модификации в прессы для более эффективной обработки этих материалов».

Почему необычное название продукта? «В древнегреческих мифах Кирон (также пишется Хайрон) был частично нтавром и частично человеком», — объясняет Рэнди Уайт, главный инновационный директор MCAM. «Кирон использовал свои уникальные личные навыки, чтобы возвыситься над своей звериной натурой. Мы сравнили это с нашими компаундами, которые наполовину состоят из углеродного волокна и наполовину из смолы, так же сильных, как лошадь, и умных, как человек, для легкой обработки».

По мере роста экспертизы в формулировке компания привлекла внимание Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Токио, Япония), которая приобрела Piper в 2016 году. MCHC сразу сделала существенные многомиллионные инвестиции для увеличения компаундной линии в Аризоне, автоматизации операций и внедрения собственных технологий размеров и резки углеродного волокна для более быстрого производства компаундов KyronMAX с большей последовательностью и эффективностью. Позже была создана вторая компаундная линия в Мичигане и третья в Японии. Эта расширенная мощность позволила классам KyronMAX конкурировать за автомобильный бизнес в Северной Америке и Азии. Другие рынки последовали.

Расширенное предложение продуктов, новые рыночные возможности

Теперь, с большей производственной мощностью и доступом к более широкому ассортимеру полимерных и углеродных материалов, команда MCAM занята разработкой ряда новых продуктов — несколько из них специально сформулированы для автомобильного рынка. Один из самых интересных — KyronMAX ES 4240, который, как говорят, является世界首个打破414 МПа (60 000 psi) предел прочности на разрыв коротковолокнистый углеродно-волокнистый литьевой компаунд. Этот класс, представленный на конференции SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) 2019 года в пригороде Детройта, представляет собой компаунд с 40% массовой долей волокна (FWF) углеродного волокна в PPA, который также предлагает значения модуля упругости на растяжение 41,2 ГПа, модуля упругости на изгиб 34,5 ГПа и прочности на изгиб 552 МПа. PPA — это специализированная форма полиамида с лучшей тепловой и более широкой химической стойкостью и гораздо меньшей склонностью к гидролизу, чем обычные PA6 и PA6/6.

Другие автомобильные классы, представленные на SPE AutoEPCON 2019, включают высокотемпературный углеродно-волокнистый PPA класс, специально разработанный для подкапотных применений. Говорят, что этот класс имеет температуру стекловидения (T_g) и температуру непрерывного использования (CUT), сопоставимую с PEEK, но легче в литье. Учитывая чувствительность к стоимости высокообъемных отраслей, таких как автопром и мелкая бытовая техника, неудивительно, что команда также работает над продуктом KyronMAX на основе полипропилена (PP).

По мере расширения линейки продуктов расширялись и рынки, в которых используются эти материалы. Помимо долгожданного автомобильного бизнеса, компания теперь обслуживает медицинские устройства (как многоразовые, так и одноразовые), мелкую бытовую технику и потребительскую электронику (корпуса/крышки вместо металла). Авиация/аэрокосмическая отрасль по-прежнему важна, как и спортивная товарная индустрия, которая выросла до применений в гоночных велосипедах, горных велосипедах, гольф-клубах, огнестрельном оружии, блоковых луках и других частях для стрельбы из лука. С несколькими продуктами, предлагающими коэффициенты линейного теплового расширения (CLTE), похожие на литые под давлением металлы (MIM) алюминий и магний — хоть и с лучшей вязкостью, меньшим весом и меньшей стоимостью — команда находит себя заменяющей металлы в растущем массиве применений.

Что дальше? С доступом к более широкой организации Mitsubishi глобально, команда MCAM может получить доступ к технологии, представляющей более широкое портфолио композитов, охватывающее термопластиковые, а также термореактивные химии, с рядом типов и длин усиления. Например, другая группа Mitsubishi производит расщепленное и нарезанное упревосходящее углеродное волокно в кованый литейный компаунд (FMC), продвинутую форму листого литейного компаунда (SMC), который помогает преодолеть разрыв в производительности и обработке между SMC, усиленным коротким стекловолокном или углеродным волокном, и непрерывноволокнистым препрегом. Еще одна группа производит тканые и нетканые углеродно-волокнистые препреги и материалы для прессования с быстрым отверждением (PCM).

Внутри самой MCAM другая технология, приближающаяся к коммерциализации, — это новое семейство сухих препрегов с текстильным усилением (нетканое, тканое и однопревосходящее) с термопластиковыми матрицами под названием KyronTEX. Эти продукты в настоящее время стратегически пробываются.

Наконец, в прошлом летом MCAM приобрела carbonNXT GmbH и сестринскую компанию CFK Valley State Recycling GmbH и Co. KG (обе в Вишхафене, Германия), привнося полную линию технологии переработки углеродного волокна в предложение продуктов группы. Команда MCAM, как сообщается, тестирует множество формул с использованием переработанного углеродного волокна перед квалификацией коммерческих продуктов.