Высокопроизводительные термопластиковые ленты, армированные текстильным ПАН-углеродным волокном

Долгоживущий вызов в передовиком композитном промысле — найти способы производства дешевле углеродного волокна, чтобы все отрасли, желающие использовать этот ценный и эффективный композитный армирующий материал, могли. Стоимость углеродного волокна значительно снизилась благодаря десятилетиям работы по повышению продуктивности через химию предшественника, инновации оборудования, улучшения процессов и больше.

Альтернативные предшественники

Одной из самых перспективных альтернативных предшественников, и ближайшей к коммерциализации, является текстильный ПАН, похожий на волокно для акриловых свитеров. Как другие альтернативные предшественники, исследованные ORNL, текстильный ПАН-углеродное волокно (TCF) отличается от специального аэрокосмического ПАН-углеродного волокна несколькими способами.

Одним из отличий является то, что текстильный ПАН-предшественник, поскольку предназначен для текстильной индустрии (шторы, одежда, мебельные ткани), поставляется в широком тоу-формате, инherентно менее затратном, чем специализированный аэрокосмический ПАН-предшественник. При производстве углеродного волокна это повышает пропускную способность и снижает конверсионные затраты по сравнению с конвенциональным ПАН-волокном. Оно также имеет тенденцию производить гораздо более крупное тоу — на порядок 300K–450K на линии в Carbon Fiber Technology Facility ORNL versus 3K–50K типичного конвенционального ПАН-углеродного волокна. Более того, хотя обработка TCF-предшественника занимает больше времени, так как он не содержит ускорителей реакции как конвенциональный ПАН и обычно работает при более низких температурах (функция баланса времени пребывания и температуры), факт того, что гораздо больше волокна можно обработать за данное время и что энергопотребление ниже на весовой или объемной основе, помогает снизить затраты. Фактически, ORNL оценивает ~60% экономии общей энергии на конверсию волокна и ~50% экономии затрат.

Это в свою очередь дает возможность производить менее дорогое волокно в необычно больших количествах и использовать его для изготовления продуктов с меньшим углеродным следом. В отраслях вроде авто/наземный транспорт, потребительская электроника, спортивные товары, строительство и ветроэнергетика, TCF — привлекательное армирование, так как применения тенденциально жесткость-драйвены, по сравнению с прочностью-драйвеными в аэрокосмике. Заметно, не-аэрокосмические отрасли потенциально могут потреблять много волокна.

Однако TCF все еще другой продукт, чем конвенциональное ПАН-углеродное волокно, поэтому нужна работа не только для лучшей характеристики этого волокна, но и для нахождения способов его конвертировать и использовать. Поскольку оно может обрабатываться в ультраширокой тоу-ленте, этот предшественник требует модификаций процессного оборудования на всем пути через процесс производства волокна. Это также меняет пост-производственную поверхностную модификацию и упаковку, и, конечно, повлияет на конверсионные процессы от изготовления лент и тканей до препрегов и преформ.

Призная все способы, которыми TCF может решить проблему стоимости/доступности углеродного волокна с одной стороны, но также создает новые проблемы в том, как обрабатывать, конвертировать и упаковывать этот материал с другой, Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Ноксвилл, Теннесси, США) работает над рядом членских исследовательских проектов последние три года для адресации этих вопросов. Один интересный проект рассматривал способы конвертации ультраширокой тоу-ленты TCF в термопластиковые композитные ленты.

Снижение затрат

Интерес к термопластиковым композитным лентам растет во многих отраслях, но эти продукты склонны быть дорогими, так как специализированное оборудование и ноу-хау требуются для успешной пропитки любого волокна пред-полимеризированными, высокомолекулярными и высоковязкими термопластиковыми смолами versus их нереагировавшими, низковязкими термореактивными аналогами. Слишком легко произвести ленты с множеством пустот и плохой смачкой волокна, заканчивая деталями, которые не только выглядят ужасно, но и несут риск преждевременного отказа.

Д-р Удай Вайдья, профессор и губернаторский председатель по Advanced Composites Manufacturing, Университет Теннесси — Ноксвилл (UTK, Ноксвилл, Теннесси, США) и CTO IACMI, коллаборировал по термопластиковым композитным программам с начала 2000-х с Джорджем Хусманом, президентом Husman Consulting Inc. (Кейп-Корал, Флорида, США) и бывшим директором и CTO Zoltek Co. Inc. (Сент-Луис, Миссури, США). Их множество взаимодействий привели к идее инлайн-пропитки конвенциональных тяжелых-тоу углеродных волокон (24K–50K) для производства термопластиковых композитных лент на заднем конце линии производства волокна. Производство лент сразу после производства волокна устранит отдельный промежуточный процессный шаг и весь транспорт и манипулирование, что это влечет. Надеется, это поможет снизить затраты и лент, и деталей из этих лент.

Реализация этой концепции потребовала разработки в процессе и оборудовании для производства углеродно-волокнисто-армированных термопластиковых лент в разных тоу-размерах. Вайдья и Хусман подали предварительный патент совместно с Университетским фондом исследований Теннесси (UTRF, Ноксвилл, Теннесси, США) в 2018 году, покрывающий процесс инлайн-производства термопластиковых лент, армированных до 50K тоу углеродным волокном. В следующем году Вайдья и его команда UTK расширили эту работу на термопластиковую пропитку ультраширокой ленты TCF (300K–450K тоу) со вторым файлингом.

TCF TP Ленты

Как ожидалось, технических вызовов не было недостатка. Подача и обработка волокна требовали значительных модификаций оборудования, так как TCF склонно быть шире и включать больше филаментов, чем конвенциональное углеродное волокно. Оно также склонно к катенарному поведению на шаге пропитки волокна производством ленты. Это значит, что синусоидальная волна формируется, когда тоу подаются в пропитковую матрицу, вызывая неравномерное раскалывание тоу и вход в матрицу под разными натяжениями, ведущим к лентам, которые скручиваются, деформируются и достигают плохой смачки волокна.

«Найти способ поддержания баланса между натяжением волокна и гибкостью оказалось действительно сложным и потребовало много работы», — объясняет Вайдья. «Наша команда пришла к пониманию, насколько важно поддерживать целостность тоу для распределения филаментов и достижения высокой степени смачки, что, конечно, критично для производства качественных лент».

Потом была проблема с размером. Тоу-ленты TCF сильно промаслены для помощи волокну плавно двигаться от крееля к пропитковой матрице, где оно смачивается смолой для производства ленты. Однако, как только у матрицы, предыдущие исследования показали, что для достижения хорошей смачки с более вязкими термопластиками присутствие промаслывания фактически препятствует пропитке, делая высоко желательным удаление промаслывания. Проб и ошибок в итоге привели команду к разработке техники сжигания промаслывания непосредственно перед входом тоу в пропитковую матрицу.

Для точного предсказания реологии смолы и полимерного питания через пропитковую матрицу и производства хорошей ленты, понадобились новая симуляция и валидация. Команда фокусировалась на производстве TCF лент с полипропиленом (PP) и полиамидом 6 (PA6) — двумя термопластиками, широко используемыми в автопроме за их вязкость и доступность. Команда использовала ПО PolyXtrue для дизайна экструзионной матрицы от Plastic Flow LLC (Хэнкок, Мичиган, США), основанное на модели Williams-Landel-Ferry (WLF), дававшее отличную корреляцию с измеренной реологией и результатами скорости сдвига.

Дизайн матрицы сам был другой важной исследовательской областью, особенно когда команда перешла от стандартных 12K к 50K тоу, а затем к ультрашироким тоу TCF. На той стадии матрицу пришлось полностью перепроектировать и адаптировать двухстадийный процесс. На первой стадии волокно пропитывается; на второй — оптимизированные углы разрыва для натягивающих/пропитковых пинов — контролирующие натяжение, при котором углеродное волокно тянется, массовую долю волокна (FWF) и контроль качества — устанавливаются для достижения желаемых свойств в готовых лентах. На данный момент команда произвела ленты с 30–50% FWF в PP и PA6 даже с более тяжелыми тоу.

Для быстрого охлаждения лент после выхода из матрицы разработана пост-пропитковая воздушная система охлаждения. Команде даже пришлось выработать метод намотки готовых лент на креели/бобины, из-за ширины продуктов и вызовов низостоящего использования тех лент.

Вайдья говорит: команда сейчас фокусируется на электронной интеграции, включая построение формального графического пользовательского интерфейса и разработку системы на базе программируемого логического контроллера (PLC). Конечная цель команды — разработать модуль производства термопластиковых лент, который можно добавить на задний конец линии производства TCF или конвенционального углеродного волокна для облегчения производства вторичных/промежуточных термопластиковых лент.

«Наша команда столкнулась со многими техническими вызовами, но у нас также были достижения», — объясняет Вайдья. «Обработка такой широкой тоу-ленты и успешная — и быстрая — пропитка волокон для достижения качественных термопластиковых лент без пустот была сложной. Однако наша команда исследовала ряд процессных параметров, включая множественные итерации дизайна матрицы; симуляции полимерного потока через матрицу; и различные аспекты подачи волокна, натяжения и предварительного нагрева. Мы не только доказали некоторые утверждения нашего патента, но и достигли скоростей пропитковой линии 12 футов/минуту [3,7 м/мин] производя 30% FWF полипропиленовые и PA6 ленты».

Следующие шаги

Вайдья говорит: интеллектуальные собственности вокруг этой ленточной технологии зафайлены с UT Research Foundation — одна с традиционными 24K и 50K волокнами и одна с широкими тоу. Коммерциализация, говорит он, сфокусируется на инлайн-пропитке внутри линии углеродного волокна. «Это сильно снизит пост-обработку и легко адаптируется, еще больше снижая общую стоимость промежуточного продукта».

Как эти ленты могут применяться? Вайдья говорит: варианты многие: «Например, материал можно крошить в длинноволокнистую форму, использовать в пультрузионном сырье, крупногабаритную филаментную намотку, овермолдинг (похоже на органошит) в прессовке, листовые заготовки в гибридных процессах — например, с LFT [длинноволокнистый термопластик], SMC [листовое формовочное вещество] и другими синергетическими материалами». Это открывает ряд типов продуктов, которые выиграют от улучшений жесткости, высокой ударной вязкости и улучшенной технологичности таких как формы, втяжки и изгибы, переработка и обратимые химии.

Применения, говорит он, включают авто, грузовики, ветрое лопасти, инфраструктуру (мосты), строительство, спортивные товары, морское и оффшорное оборудование. «Ультраширокотоувое углеродное волокно термопластиковое промежуточное может теперь предложить avenу для рассмотрения углеродного волокна там, где оно было слишком дорого ранее», — заключает Вайдья.