JM представляет Neomera: новая линейка реактивно полимеризованных органолистов расширяет рыночные возможности

В этом году Johns Manville (JM, Денвер, штат Колорадо, США) планирует представить первые продукты в своей линейке Neomera. Первоначальные предложения будут in situ-полимеризованными, ткаными стекловолокнистыми полиамидом 6 (PA6) органолистами, но линейка скоро расширится для включения тканей без скученья (NCF) и длиннорезаных волокон. JM также сообщает, что дополнительные реактивно полимеризуемые термопластиковые матрицы оцениваются, как и гибридные структуры усиления (например, комбинация углеродного и стекловолокна) или даже нестекловолокнистые усилени. Компания отмечает, что благодаря различному методу производства этих материалов по сравнению с обычными органолистами и длинноволокнистыми термопластиковыми композитами, продукты Neomera будут предлагать более высокие механические свойства при более низкой стоимости. Вот что мы знаем об этих материалах на данный момент.

Новый метод производства органолистов

Обычные органолисты — обычно специализированная форма стекломатированного термопластикового композита (GMT), усиленного тканой тканью — производятся либо с полипропиленовой (PP), либо с полиамидной 6 или 6/6 (PA6, PA6/6) матрицей. Органолистовые композиты чаще всего используются в полуструктурных и структурных компонентах в автомобильной, коммерческой грузовиковой, строительной и спортивной промышленностях.

Несколько аспектов делают линейку Neomera JM отличной от того, что уже доступно на рынке. Во-первых, вместо расплава пропитывания волокон полностью полимеризованной смолой PA6, компания анионно полимеризует мономер капролактама в PA6 после этапа пропитывания. Поскольку расплавленный капролактам имеет очень низкую вязкость (~5 центипуаз), он пропитывает прядь или ткань намного эффективнее, чем полностью полимеризованные термопластики, которые имеют гораздо более длинные полимерные цепи и гораздо более высокую вязкость. Это означает, что реактивно полимеризуемая смоловая система JM достигает намного лучшего пропитывания — более похожего на жидкие термореактивные смолы — чем возможно с полностью полимеризованными термопластиками вроде PA6. В свою очередь, это сильно снижает пустоты и дает возможность создавать более высокие объемные доли волокна (FVF) — на порядок 50% или выше — что само по себе улучшает механические свойства.

Во-вторых, JM также обрабатывает стекловолокна — будь то нарезанные, тканые или NCF — своим собственным проприетарным реактивным размером стекла перед пропитыванием капролактамом. Это снова укрепляет связь волокно-смола и приводит к более высоким механическим свойствам при сопоставимых FVF по сравнению с другими продуктами органолистов с тем же типом и процентом загрузки волокна и матрицей.

Инновационный длинноволокнистый органолист предлагает случайное распределение волокон, полное пропитывание волокон и отличное связывание волокно-смола, как показано на изображениях выше. Слева пучки стекловолокна показаны торцевыми концами, а справа показано, что отдельные пучки волокон, сверху вниз, полностью покрыты смолой.

«То, чего мы хотим, чтобы люди поняли, это то, что мы не вводим еще один продукт «me-too» органолиста», — объясняет Минфу Чжан, старший менеджер по исследованиям — корпоративные НИОКР JM. «Поскольку мы начинаем с капролактама, мы можем пропитывать волокна намного легче, чем те, кто использует термопластиковые полимеры. В результате мы достигаем лучшего пропитывания, более высоких объемных долей волокна и лучшей производительности. Фактически, это позволяет нам создавать специализированные продукты, которых даже недостижимы в обычных органолистах».

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

Поэтапный запуск

Первоначальный продукт Neomera — серия OS-6 — будет усилен ткаными тканями. «Мы планируем запустить нашу линейку продуктов, предлагая тканую архитектуру в FVF от 45 до 50%, так как мы видим большой спрос на такие типы композитов», — отмечает Дана Милоага, лидер по продуктам — композиты, корпоративные НИОКР JM. «Поскольку это сбалансированная ткань и обеспечивает хорошую драпируемость и ортотропные свойства, инженерам, привыкшим специфицировать металлы, легче работать с ним для достижения более легких, высокопроизводительных деталей».

Тканые формы нового семейства органолистов будут следовать за серией NCF-6 с более тяжелыми NCF, которые традиционно оказывались сложными для пропитывания обычными термопластиками. Наконец, планируется версия с прерывистым, но все еще длинным волокном (>25 мм). Называемая серией CR-6 и, как говорят, обладающая согласованными длинами волокон, помогающими поддерживать псевдо-изотропные свойства, эта линейка продуктов будет конкурировать с длинноволокнистыми термопластиковыми технологиями, такими как GMT и прямой длинноволокнистый термопластик (D-LFT). JM сообщает, что литейщики смогут использовать каждый продукт Neomera отдельно или в комбинации с другими типами. Например, сжимаемая гибридная структура, состоящая из полосы или листа тканого или NCF органолиста, может использоваться для усиления путей нагрузки, в то время как дисконтинуально-волокнистый органолист может использоваться в местах, где более сложная геометрия, как ребра или боссы, позиционируются. «В тестах наши продукты CR-6 с дисконтинуальным волокном показали лучшую формовочность, чем традиционный нарезанный GMT», — добавляет Чжан.

Насколько касается литейщиков или формовочников, новые продукты JM будут обрабатываться как обычные органолисты или GMT. Требования к конструкции форм также похожи. Единственная необходимая корректировка — предварительно нагревать и формовать органолист Neomera с матрицей PA6 при более высокой температуре, чем типично для PP, из-за более низких температур плавления и формовки последнего. Интересно, в отличие от некоторых продуктов GMT, нет взбухания стекловолокна после предварительного нагрева из-за пружинистости, поэтому материал остается полностью консолидированным. Это обеспечивается, говорит Чжан, тем фактом, что волокна полностью пропитаны капролактамом и что — поскольку мономер затем полимеризуется in situ — они достигают гораздо более высокой молекулярной массы, чем обычные органолисты с матрицами PA.

Исследователи JM также проводили базовую характеристику материалов, чтобы помочь конструкторам более точно симулировать производительность деталей. «Мы работали тесно с клиентами, чтобы определить наиболее важные данные, которые им понадобятся изначально для более детальной симуляционной работы», — объясняет Милоага. «Мы планируем генерировать строительные блоки, которые они могут использовать на ранних стадиях, так как обычно требуется шесть месяцев для характеристики, необходимой для разработки полной материаловой карты».

Для каждой вводимой линейки продуктов компания говорит, что квалифицирует двух глобальных поставщиков для обеспечения надежной цепочки поставок и глобального доступа и последовательности. Производственная линия JM в районе Денвера производила пробные объемы материалов для клиентов, но начальная коммерческая производственная будет проходить в Трнаве, Словакия.

Продукты Neomera будут предлагаться в черном цвете, с опцией «натуральный» (белесая) и возможностью кастомных цветов. Изначально, по мере набора коммерческого производства, продукт будет изготавливаться и резаться под заказ, хотя в долгосрочной перспективе план — иметь стандартные размеры на складе.

Интересный аспект процесса JM в том, что он может производить толстые листы в непрерывном процессе. «Одна из проблем существующих органолистов в том, что они обычно производятся в листах толщиной полмиллиметра, поэтому для поставки клиенту продукта толщиной 3 мм им приходится пост-консолидировать несколько листов для изготовления ламината», — объясняет Чжан. «Мы можем пропустить весь этот этап пост-консолидации, так как можем сделать лист толщиной 3 мм напрямую. Фактически, это один из самых уникальных аспектов нашей технологии. Мы знали, что капролактам имеет вязкость как у воды, но все равно удивились, 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 пост-консолидации, наши продукты избегают еще одного термического цикла».

Трудностью было управление производственным процессом для обработки влагочувствительной анионной полимеризации капролактама. «Прежде чем мы начали работать над этим проектом, анионная полимеризация капролактама в PA6 действительно делалась только в закрытых формах, поэтому адаптация этого к непрерывному процессу для производства очень последовательного продукта потребовала большой работы», — добавляет Чжан.

Что дальше?

Когда спросили, почему поставщик стекла как JM захотел бы производить промежуточные продукты вместо просто лицензирования технологии, Клаус Глейх, старший ученый-исследователь — корпоративные НИОКР JM, говорит: «Учитывая природу нашего производственного процесса, действительно не много людей смогут производить материал. Мы знаем химию очень хорошо и знаем ее вызовы, поэтому мы лучше позиционированы для масштабирования и коммерциализации. Помимо этого, наша НИОКР группа специально разработала эту инновационную технологию для расширения нашего бизнеса и возврата большей ценности нашим владельцам в Berkshire Hathaway [Омаха, Небраска, США]. Мы хотим быть инноваторами и создавать новые рыночные возможности».

«Мы видим тренд термопластиковых композитов, движущихся в полуструктурные и настоящие структурные применения для производства легких и устойчивых компонентов, как очень согласованный с нашей новой технологией органолистов», — добавляет Милоага. Фактически, она говорит, что первые коммерческие применения с использованием семейства Neomera не далеки. JM тестировала материалы в моторспорте, и есть интерес в других транспортных сегментах, как автопром и коммерческие грузовики плюс спортивные товары. «Ключ в том, что мы решаем проблемы», — добавляет она. «Конкуренция дорогая и имеет ограниченный портфель. Мы можем производить продукты, которые более высокопроизводительны и при этом более экономичны — выигрышная комбинация».