Индустриализация термопластичного эпоксидного смолы: инновации и применения

Cecence (Солсбери, Великобритания) была основана в 2014 году тремя основателями с десятилетиями опыта в композитах. Директор Майк Оранж имел долгую историю работы с карбоновым волокном (CFRP) вtakelage и мачтах для яхт. Руководитель инноваций Хамфри Баньян ранее возглавлял инновации в Future Fibres (Валенсия, Испания). «Они [Future Fibres] делали полностью композитное тактаж для Кубка Америки и других гончных судов, а также CFRP-шпильки для крепления колес к автомобилям Формулы-1», — говорит Оранж (см. «Композиты в яхтостроении: Оснащены для успеха»). «Мы понимали преимущества легкости, но взаимодействовали с другими секторами, у которых не было нашего опыта и которые боролись с затратами, масштабированием производства и соблюдением пожарных норматив».

Фокус на пожаробезопасности, промышленном производстве и устойчивости

Именно так появилась Cecence (произносится «си-сенс», как common sense с карбоновыми композитами), с фокусом на пожаробезопасность, индустриализированное производство и устойчивость. Это привело к разработкам, таким как прессованное сиденье для пассажирских самолетов из карбоноконопляного/биосмоляного композита весом всего 7,5 кг, уменьшившее толщину сиденья до менее 20 мм и увеличившее пространство и комфорт пассажиров, при этом соответствующее всем требованиям по огню, дыму и токсичности (FST).

«В предыдущем проекте Cecence разработала метод горячего прессования, сокративший время цикла с 2,5 часов до 7 минут для спинки эконом-класса с использованием мгновенно твердеющих феноловых смол, разработанных с британским препреггером FTI (Сомерсет)», — говорит Оранж. Для последней описанной выше спинки, разработанной с Design Q (Реддитч, Великобритания), Cecence расширила свой FST-портфолио, используя препрег на основе полифурилового спирта (PFA), разработанный SHD Composites (Слифорд, Великобритания). PFA — это термореактивный полимер на биомассовой основе, который ведет себя как фенол с отличной поверхностной обработкой и устойчивостью (см. «Выдержка огня без веса»). «Мы работали с SHD Composites и протолкнули их химию для более быстрого отвердевания», — говорит Оранж. «Именно это мы и делаем: берем материалы, процессы и дизайны и развиваем их дальше, чтобы композитные изделия можно было производить в масштабе коммерчески целесообразным и устойчивым способом».

Термоформируемое эпоксидное смолу

Скорость производства и устойчивость были ключевыми факторами, когда Cecence столкнулась с термопластичной эпоксидной смоляной системой несколько лет назад. «Этот термопластик с эпоксидными компонентами на концах полимерных цепей использовался ткацкой компанией, которая не осознавала его потенциал в композитах», — объясняет Оранж.

«Мы сразу поняли преимущества низковязкого термопластика, который отлично пропитывает волокна, позволяя термоформировать эпоксидную смолу», — говорит Хамфри Баньян. Cecence разработала препрег на основе этой технологии термопластичного эпоксида, а затем семейство продуктов под брендом K_Series: намотываемый K_Rod, полу-препрег K_Plate толщиной 0,25–1,98 мм и формовочную массу K_Chip (Рис. 1). «Мы смогли прессовать компоненты за менее чем три минуты», — говорит Оранж, — «и продемонстрировали FR-вариант, соответствующий требованиям FST для самолетных интерьеров». Cecence также использовала материал для разработки композитной системы контактной сети (COHLE) для электрических железных дорог, уменьшающей количество опорных мачт/колонн вдвое и общую стоимость установки и эксплуатации на 100 000 фунтов стерлингов (124 200 долларов) за километр.

Термоформируемое эпоксидное смолу: детали

«С типичными термопластиками у вас высоковязкий матричный полимер, который трудно заставить проникнуть в волокна», — объясняет Баньян. «Поэтому сложно получить хорошую пропитку пучков или тканей. Но термоформируемое эпоксидное смолу K_Series имеет очень низкую вязкость — 80 сПз при 100°C. Это позволяет нам препрегировать стекловолокно, карбон и натуральные волокна с отличным распределением смолы по волокнам и обычно 60% содержанием волокна по весу. Мы также можем использовать волокна с размером для эпоксидных смол, что обычно несовместимо с термопластиками». И при этом это настоящий термопластик, позволяющий переформовку готовых изделий при 180–200°C без химической реакции или экзотермического эффекта.

«Как эпоксидная смола, оно хорошо адгезирует к волокну, поэтому нет разделения волокна от матрицы, даже если вы используете более высокие давления при формовке», — отмечает Оранж. Это относится к проблеме, которую он видел с коротковолокнистыми полиамидными (PA) и полипропиленовыми композитами. «Мы работали со слоем PA, расплавленным на ткани горячим прессованием для получения плоского листа. Матрица не прилипала к волокнам, а лишь окружала их. Поэтому при прессовании в деталь возникало вытягивание волокон».

K_Plate, обрабатываемый при 150–220°C, обеспечивает рабочую температуру 100°C для кратковременных воздействий и постоянное использование при 90°C. Композиции K_Chip из рубленого однонаправленного пучка прессуются при 240°C. «Т_g [температура стеклования] и начало термической деформации для K_Series ниже, чем у типичных эпоксидных смол, но это также делает возможными переформовку и переработку», — говорит Оранж. Процессы K_Series также быстрые. «Cecence работала с RocTool [Ле Бурже-дьо-Лак, Франция] на JEC 2016, чтобы продемонстрировать самый быстрый формовочный термопластик, который они видели», — говорит он, отмечая время цикла 2 минуты 40 секунд для автомобильного капота. «Время выдержки составляло всего 25 секунд перед охлаждением, с давлением 8–9 бар над вакуумной мембраной. Они также были довольны отделкой как матовой, так и глянцевой поверхностей [см. начальное изображение], отмечая, что наш материал дал лучшую отделку из всех испытанных».

Кроме того, эпоксидные компоненты в продуктах K_Series позволяют легко красить и склеивать композитные детали без специальных грунтов и подготовки, требуемых для традиционных термопластиков. «Вы можете вторично склеивать их, используя стандартные клеи», — добавляет Баньян. «Вы также получаете хорошие свойства межслойного сдвига, и в целом это создает жесткие, поглощающие энергию структуры благодаря термопластику».

CFRP-контактная сеть для дешевых электрических железных дорог

Двойственная природа этого термопластичного эпоксида проявляется в системе контактной сети (OHLE), разработанной Cecence с использованием CFRP-контактного троса из K_Rod. Контактный трос и контактный провод — два основных провода в OHLE электрической железной дороги (Рис. 2). Электричество поступает к локомотиву поезда через токоприемник, который выходит из верхней части локомотива и прижимается к контактному проводу. «Контактный трос работает как подвесной мост между мачтами (колоннами), которые расположены каждые 25 метров вдоль путей», — объясняет Оранж. Медный контактный провод подвешен к контактному тросу вертикальными подвесками или дросселями, как проезжая часть поддерживается от тросов в подвесном мосту.

«Используя натяжной трос K_Rod в качестве контактного троса, он может находиться всего в 70 миллиметрах над медным контактным проводом», — указывает Оранж (Рис. 3). «Вся система более компактна с гораздо меньшим визуальным воздействием на окружающую среду». Текущие системы OHLE используют стальные контактные тросы, которые меняют длину при изменении температуры. «Летом они удлиняются до 400 миллиметров на километр», — отмечает он. Для противодействия провисанию линий устанавливаются бетонные противовесы на блоках как система автонатяжения, но это увеличивает общую стоимость.

«Вес стального троса и его провисание — причина, почему нужно так много столбов», — отмечает Оранж. «Наш CFRP-кабель меняет длину всего на 7 миллиметров на километр летом, потому что пренебрежимое тепловое расширение карбонового волокна создает термически стабильный композит. Он также на 80% легче стального троса, не провисает и позволяет располагать столбы на расстоянии 50 метров, что вдвое уменьшает количество необходимых столбов». Это обеспечивает дополнительную экономию, так как для каждого столба есть консольно вынесенный перебор, поддерживаемый тяговым тросом.

Кроме того, обычные системы OHLE используют полностью металлические компоненты, что требует добавления изоляторов для предотвращения нежелательной проводимости электрического тока. «Cecence COHLE не нуждается во всех этих изоляторах, потому что использует не проводящие композитные столбы и переборы из стекловолокна (GF) с не проводящими композитными тяговыми тросами», — объясняет Оранж. «Мы также используем промежуточные подвески из 3D-печатного полилактида (PLA). В отличие от металлической системы, столбы не требуют регулярной покраски, а коррозионностойкие композиты требуют меньше обслуживания».

«Термопластичное эпоксидное смолу играет ключевую роль в CFRP-контактном тросе», — продолжает он. «Cecence использует его и в карбоноволокнистом ядре K_Rod, и в набраной GF-композитной оболочке. Результат — легкий, высокопрочный, изолированный кабель, который можно наматывать в катушку и хорошо склеивать в гнездо, решая обычно сложную проблему терминации для карбонокомпозитных кабелей. Благодаря удивительной передаче нагрузки от ядра в гнездо через набраную оболочку, нам не нужна огромная длина гнезда, и эта система проста в установке железнодорожными техниками в полевых условиях».

Хотя CFRP-кабель стоит в три раза дороже стального контактного троса, общая стоимость системы снижается с 512 000 до 413 000 фунтов стерлингов за километр, говорит Оранж. Эти затраты, рассчитанные с мультинациональной инженерной и инфраструктурной фирмой Atkins (Лондон, Великобритания), включают экономию на эксплуатации/обслуживании от 400 000 до 3,4 млн фунтов стерлингов за километр за срок службы системы.

«Cecence поставлена прототипные компоненты в мае 2019 года», — говорит Оранж, — «и наши партнеры по разработке планировали натянуть электрические линии к февралю 2020 года, но это было отложено из-за COVID-19. Вся система была представлена на Advanced Engineering Show в 2019 году и получила награду Composites UK Innovation Award».

Дальнейшие применения и развитие K_Series

Помимо применения OHLE, Cecence исследует другие возможности применения своих продуктов K_Series. «Cecence также работала над проектами, где тросы K_Rod использовались якорями для скалистого обрыва в строительном проекте в Швейцарии», — говорит Оранж. «Наши партнеры по проекту должны были сверлить 80-метровые скважины в скале, вставлять CFRP-кабели и заливать бетоном. Были потрясающие результаты тестов, но академический партнер никогда не связался с промышленностью для развития проекта за пределами лабораторного масштаба. Мы продолжаем искать другие демонстрации, однако эта система коррозионностойкая и обеспечивает хорошую передачу нагрузки. Она также может применяться как грунтовые якоря для различных строительных систем, таких как ураганоустойчивые здания».

Видео на YouTube и сайте Cecence демонстрируют термоформируемость продуктов K_Plate. «Также были обсуждения по изучению применений для переменной геометрии/морфинговых крыльев с британской авиакомпанией», — говорит Оранж. Cecence продемонстрировала экономически эффективный автомобильный материал с использованием K_Chip из рубленых композитных пучков как гибридного CF/GF/термопластичного эпоксидного материала, поддерживавшего соотношение карбон/стекло 2:1, подтвержденное тестированием.

Компания также разработала высокотемпературный K_Series с T_g 250–300°C, обрабатываемый при 360–400°C. «Это использовалось для автомобильного производителя, который хотел, чтобы CFRP-детали выживали в их процессе Э-краски при 180°C», — говорит Оранж. «У нас также есть материал K-FR, который может проходить авиационные требования FST по вертикальному горению, тепловыделению и дымовой токсичности, и мы изучаем, как помочь с демпфированием вибраций для снижения шума в салоне самолета. Мы можем настраивать термопластик и добавлять эластомерные слои для достижения значительного снижения шума».

Сэманта Баньян, третья основательница Cecence и её руководитель по взаимодействию с индустрией, указывает, что перерабатываемость также является ключевой областью развития. Cecence входит в консорциум ReDisCoveR Composites, управляемый Национальным центром композитов (Бристоль, Великобритания). Он был создан в апреле 2019 года и ведет 24 проекта по четырем направлениям: переработка, демонтаж, циркулярные материалы и повторное использование. «В рамках этих проектов мы рассматриваем демонтаж компонентов и демонстрируем реальную перерабатываемость термопластичных композитов», — говорит Баньян. «Индустрия наконец вынуждена доказать перерабатываемость, которую она заявляла много лет. Cecence видит выгоды в возможности переработки продуктов K_Series из термопластичного эпоксида, но также должна продемонстрировать процессы и экономическую целесообразность этого».

«Мы верим, что для устойчивых композитов в массовом транспорте, включая самолетные интерьеры, сиденья и железнодорожные применения, есть гораздо больше места», — говорит Оранж, добавляя, что Cecence — не просто партнер по разработке, но и по производству. «Мы к сегодняшнему дню изготовили 2500 композитных спинок для самолетов типа A320 и были на пути к производству самых легких и тонких спинок в отрасли до вспышки COVID-19. Отходы от композитных сидений могут быть повторно использованы в подножках и подлокотниках. Переработанный материал также может использоваться в других вспомогательных деталях, где сейчас используются девственные пластики. Все это может помочь снизить потребление ископаемого топлива и выбросы, а также способствовать электрификации и повышению устойчивости».

В композитах, отмечает Сэманта Баньян, «устойчивость трехсторонняя: материалы, обработка (быстрая и низкоэнергетичная) и цепочка поставок. Мы разрушаем все эти сферы, работая с инноваторами со всего мира, которых не видят, потому что большинство смотрит только на крупные компании. Миру нужны новые решения, которые работают для промышленности. Это и делает Cecence».