Реакционно-полимеризованная смола расширяет рынок органолистовых материалов, возможности

Этой осенью Johns Manville (JM, Денвер, Колорадо, США) планирует представить первые продукты в своей линейке Neomera. Первоначальные предложения будут на месте -полимеризованный тканый органолист из полиамида 6 (PA6), армированного стекловолокном, но вскоре его линейка расширится и будет включать в себя не гофрированные ткани (NCF) и длинные рубленые волокна. JM также сообщает, что оцениваются дополнительные реакционно-полимеризованные термопластические матрицы, а также гибридные армирующие структуры (например, сочетающие углеродные и стеклянные волокна) или даже не стеклянные арматуры. Компания отмечает, что из-за того, что для производства этих материалов используются разные методы по сравнению с традиционными органолистами и длинноволокнистыми термопластическими композитами, продукты Neomera будут предлагать более высокие механические свойства при более низкой стоимости. Вот что нам известно об этих материалах.

Новый метод производства органолиста

Обычный органолист - как правило, это специализированная форма термопластичного композита на основе стекломата (GMT), армированного тканой тканью - производится с полипропиленовой (PP) или полиамидной 6 или 6/6 (PA6, PA6 / 6) матрицей. Композиты из органо-листа чаще всего используются в полуструктурах и конструкционных элементах в автомобильной, грузовой, строительной и спортивной промышленности.

Линия JM Neomera отличается от того, что уже имеется на рынке, по ряду аспектов. Во-первых, вместо пропитки волокон расплавом полностью полимеризованной смолой PA6 компания производит анионную полимеризацию мономера капролактама в PA6 после стадии пропитки. Поскольку расплавленный капролактам имеет очень низкую вязкость (~ 5 сантипуаз), он смачивает ровинг или ткань намного эффективнее, чем полностью полимеризованные термопласты, которые имеют гораздо более длинные полимерные цепи и гораздо более высокую вязкость. Это означает, что система реактивно-полимеризованных смол JM обеспечивает гораздо лучшее смачивание - больше похоже на жидкие термореактивные пластмассы - чем это возможно с полностью полимеризованными термопластами, такими как PA6. В свою очередь, это значительно уменьшает количество пустот и дает возможность создавать более высокие объемные доли волокна (FVF) - порядка 50% или выше, - что само по себе улучшает механические свойства.

Во-вторых, JM также обрабатывает стекловолокно - рубленое, тканое или стекловолокно - своей собственной проклейкой для реактивного стекла перед пропиткой капролактамом. Это, опять же, усиливает связь между волокном и смолой и приводит к более высоким механическим свойствам при сопоставимых FVF по сравнению с другими органолистами с таким же типом и процентным содержанием волокон и матрицей.

Инновационный длинноволокнистый органолист обеспечивает беспорядочное распределение волокон, полное смачивание волокна и отличное сцепление волокна с смолой, как показано на изображениях выше. Слева показаны пучки стекловолокна встык, а справа показано, что отдельные пучки волокон сверху вниз полностью покрыты смолой.

«Мы хотим, чтобы люди поняли, что мы не представляем еще одного меня органолистный продукт », - объясняет Мингфу Чжан, старший менеджер по исследованиям JM - корпоративные исследования и разработки. «Поскольку мы начинаем с капролактама, нам намного легче смачивать волокна, чем те, которые используют термопластичные полимеры. В результате мы достигаем лучшей пропитки, более высокой объемной доли волокна и лучших характеристик. Фактически, это позволяет нам создавать специальные продукты, которые невозможно получить даже при использовании обычного органолиста ».

В прошлом году JM объявила, что разработала технологию и стратегически опробует ее. Планируется, что в сентябре состоится мягкий запуск Neomera, а в следующем месяце - жесткий запуск на выставке Composites &Advanced Materials Expo 2021 (CAMX, 18-21 октября, Даллас, Техас, США).

Поэтапное внедрение

Первоначальный продукт Neomera - серия OS-6 - будет армирован тканью. «Мы планируем запустить нашу линейку продуктов, предлагая архитектуру саржевого переплетения с FVF от 45 до 50%, поскольку мы видим большой спрос на эти типы композитов», - отмечает Дана Милоага, лидер по продуктам JM - композиты, корпоративные исследования и разработки. . «Поскольку это сбалансированное переплетение, обеспечивающее хорошую драпируемость и ортотропные свойства, инженерам стало проще выбирать металлы, с которыми они будут работать, чтобы получить более легкие детали с более высокими эксплуатационными характеристиками».

За ткаными формами нового семейства органолистов последует серия NCF-6 с более тяжелыми NCF, которые традиционно сложно пропитать обычными термопластами. Наконец, планируется вариант с прерывистым, но все же более длинным волокном (> 25 миллиметров). Эта линейка продуктов, получившая название серии CR-6 и обладающая постоянной длиной волокна, которая помогает поддерживать псевдоизотропные свойства, будет конкурировать с технологиями изготовления длинноволокнистых термопластов, такими как GMT и термопластичные материалы с прямыми длинными волокнами (D-LFT). JM сообщает, что формовщики смогут использовать каждый продукт Neomera отдельно или в сочетании с другими типами. Например, прессованная гибридная структура, состоящая из полосы или листа тканого материала или органолиста NCF, может использоваться для усиления путей нагрузки, в то время как прерывистый органолист, армированный волокном, может использоваться в местах, где расположена более сложная геометрия, такая как ребра или выступы. «В ходе испытаний было показано, что наши продукты CR-6 с прерывистым волокном обеспечивают лучшую формуемость, чем традиционные GMT ​​с рубленым волокном», - добавляет Чжан.

Что касается формовщиков или производителей форм, новые продукты JM будут обрабатываться как обычные органолисты или GMT. Требования к конструкции пресс-формы также аналогичны. Единственная необходимая регулировка - это предварительный нагрев и формование органо-листа Neomera с матрицей PA6 при более высокой температуре, чем это типично для полипропилена, из-за более низких температур плавления и формования последнего. Интересно, что, в отличие от некоторых продуктов GMT, стекловолокно не всплывает после предварительного нагрева из-за упругого возврата, поэтому материал остается полностью уплотненным. По словам Чжана, это возможно благодаря тому факту, что волокна полностью пропитаны капролактамом и что - поскольку мономер затем полимеризуется in situ - они достигают гораздо более высокой молекулярной массы, чем обычные органолиты с матрицами ПА.

Исследователи JM также проводят определение основных характеристик материалов, чтобы помочь инженерам-конструкторам более точно моделировать характеристики деталей. «Мы тесно сотрудничаем с клиентами, чтобы определить наиболее важные данные, которые им изначально понадобятся для более детального моделирования», - объясняет Милоага. «Мы планируем создать строительные блоки, которые они могут использовать на раннем этапе, так как обычно требуется шесть месяцев, чтобы сделать характеристику, необходимую для разработки полной карты материала».

Компания заявляет, что для каждой представленной линейки продуктов она квалифицирует двух глобальных поставщиков, чтобы обеспечить надежную цепочку поставок, а также глобальный доступ и согласованность. Производственная линия JM в районе Денвера производит образцы материалов для клиентов, но начальное коммерческое производство будет проходить в Трнаве, Словакия.

Продукция Neomera будет предлагаться в черном цвете, с возможностью выбора «натурального» (не совсем белого) и с возможностью индивидуальной цветовой гаммы. На начальном этапе по мере увеличения объемов промышленного производства продукция будет изготавливаться и раскрываться на заказ, хотя в более долгосрочной перспективе планируется обеспечить наличие на складе стандартных размеров.

Интересным аспектом процесса JM является то, что он может производить толстые листы в непрерывном процессе. «Одна из проблем с существующим органо-листом заключается в том, что он обычно производится в виде листов толщиной полмиллиметра, поэтому для того, чтобы предоставить заказчику продукт толщиной 3 миллиметра, он должен консолидировать несколько листов для изготовления ламината, »- объясняет Чжан. «Мы можем пропустить весь этот этап последующей консолидации, так как мы можем напрямую изготавливать лист толщиной 3 миллиметра. Фактически, это один из самых уникальных аспектов нашей технологии. Мы знали, что капролактам имеет вязкость, подобную воде, но все же были удивлены тем, насколько хорошо наша технология подходит для производства толстых ламинатов. Это дает нам большую гибкость в том, что мы можем предложить клиентам. Кроме того, пропуская этап поступлотнения, наши продукты избегают еще одного цикла нагрева ».

Сложно было контролировать производственный процесс, чтобы справиться с чувствительной к влаге анионной полимеризацией капролактама. «До того, как мы начали работать над этим проектом, анионная полимеризация капролактама в PA6 на самом деле проводилась только в закрытых формах, поэтому адаптация этого процесса к непрерывному процессу для производства очень однородного продукта потребовала много работы», - добавляет Чжан.>

Что дальше?

На вопрос, почему поставщик стекла, такой как JM, хотел бы производить промежуточные продукты, а не просто лицензировать технологию, Клаус Гляйх, старший научный сотрудник JM - корпоративные НИОКР, ответил:«Учитывая характер нашего производственного процесса, на самом деле не так много люди, которые смогли бы сделать материал. Мы очень хорошо знаем химию и знаем ее проблемы, поэтому у нас есть лучшие возможности для ее масштабирования и коммерциализации. Кроме того, наша группа исследований и разработок специально разработала эту инновационную технологию, чтобы расширить наш бизнес и вернуть большую ценность нашим владельцам в Berkshire Hathaway [Омаха, Небраска, США]. Мы хотим быть новаторами и создавать новые рыночные возможности ».

«Мы видим тенденцию перехода термопластичных композитов к полуструктурным и истинным конструкционным приложениям, чтобы создавать легкие и устойчивые компоненты, в большей степени согласованные с нашей новой технологией органо-листов», - добавляет Милоага. Фактически, она говорит, что первые коммерческие приложения, использующие семейство Neomera, не за горами. JM испытывает материалы в автоспорте, а также проявляет интерес к другим транспортным сегментам, таким как автомобильные и коммерческие грузовики, а также спортивные товары. «Все дело в том, что мы решаем проблемы», - добавляет она. «Конкурс дорогой, и у него ограниченное портфолио. Мы можем производить продукцию, которая будет более производительной и при этом более рентабельной - беспроигрышная комбинация ».