帝人正在德國(guó)海因斯貝格對(duì)其第二條熱塑性膠帶生產(chǎn)線進(jìn)行資格認(rèn)證，這將顯著擴(kuò)大該公司在該材料領(lǐng)域的影響力。
Teijin 位于德國(guó)海因斯貝格的新型熱塑性預(yù)浸料生產(chǎn)線的特點(diǎn)是能夠生產(chǎn)非常寬的膠帶——最寬可達(dá) 24 英寸。該生產(chǎn)線還在熱塑性單向 (UD) 膠帶生產(chǎn)中提供前所未有的過(guò)程和質(zhì)量控制。圖片來(lái)源：Teijin Carbon Europe
預(yù)計(jì)熱塑性復(fù)合材料將在各種下一代飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)制造中發(fā)揮更大和關(guān)鍵的作用，從大型商用噴氣客機(jī)到小型電動(dòng)垂直起降 (eVTOL) 飛機(jī)，這些飛機(jī)將成為新興的先進(jìn)空中機(jī)動(dòng) (AAM) 市場(chǎng)。滿足這一需求將需要開(kāi)發(fā)和制造熱塑性膠帶——單向 (UD) 和多軸——以滿足日益嚴(yán)格的質(zhì)量要求。
考慮到這些挑戰(zhàn)，Teijin Carbon Europe GmbH（德國(guó)伍珀塔爾）最近在其位于德國(guó)海因斯貝格的工廠安裝并調(diào)試了第二條熱塑性膠帶生產(chǎn)線。第一條生產(chǎn)線于 2011 年投入使用，并獲得波音應(yīng)用資格，旨在提供數(shù)量和寬度足以滿足研發(fā) (R&D) 和小批量生產(chǎn)目的的熱塑性膠帶。
第二條生產(chǎn)線于 2019 年投產(chǎn)，使用與第一條生產(chǎn)線相同的制造技術(shù)，但其規(guī)模、速度和一致性代表了制造能力的全面顯著提高。Teijin Carbon Europe 開(kāi)發(fā)部總經(jīng)理 Willem Jan ter Steeg對(duì)該公司的新型碳纖維熱塑性膠帶生產(chǎn)線的介紹。
ter Steeg 指出，新生產(chǎn)線提供的過(guò)程控制為帝人提供了前所未有的能力，可以快速、一致地制造符合寬度、厚度、單位面積重量、樹(shù)脂分布、纖維體積分?jǐn)?shù)?(FVF)、結(jié)晶度和孔隙率等嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的熱塑性膠帶。
首先，也是最值得注意的是，新生產(chǎn)線可以生產(chǎn)寬度為 12 或 24 英寸的膠帶，這在熱塑性復(fù)合材料供應(yīng)鏈中并不常見(jiàn)。其次，ter Steeg 指出，新生產(chǎn)線提供了極大的靈活性，包括多達(dá) 220 個(gè)紗架位置，以及調(diào)整濕度、溫度、鋪展參數(shù)、張力和基體含量的能力。“我們可以在 34%至約 40?%或 42% 的基體含量之間進(jìn)行調(diào)整，”ter Steeg 說(shuō)。“理論上我們可以達(dá)到 50%，但沒(méi)有這個(gè)要求。”?該生產(chǎn)線通常生產(chǎn)纖維面積重量 (FAW) 為 97-200 gsm 的膠帶；已經(jīng)展示了超過(guò) 200 gsm 的纖維面積重量 (FAW)。
這張來(lái)自帝人新生產(chǎn)線的熱塑性膠帶的顯微照片展示了制造過(guò)程的一致性和均勻性。在過(guò)去十年中，熱塑性預(yù)浸帶的質(zhì)量一直在穩(wěn)步提高。?
UD 碳纖維是在新生產(chǎn)線上加工的主要增強(qiáng)材料，但也可以使用芳綸等其他材料。碳纖維直接來(lái)自帝人，這是世界上最大的碳纖維制造商之一。
當(dāng)纖維從紗架中出來(lái)并被拉緊到生產(chǎn)線上時(shí)，它們進(jìn)入浸漬單元。在這里，ter Steeg 指出，浸漬裝置將樹(shù)脂基體分散為粉末，然后與乳化劑混合并涂敷到纖維上。與熔融浸漬相比，帝人更喜歡這種方法，因?yàn)樗峁┝烁恢隆⒏鶆虻木酆衔锓稚ⅰ?/span>
帝人在這條生產(chǎn)線上主要預(yù)浸聚醚醚酮 (PEEK) 和聚苯硫醚 (PPS)，低熔點(diǎn)聚芳醚酮 (LMPAEK) 和聚醚酮酮 (PEKK) 的加工頻率較低。ter Steeg 指出，其他樹(shù)脂基材體系也可以加工，但前提是它們與漿料中的乳化劑相容。
Teijin Carbon America 的航空航天營(yíng)銷工程師 Alfonso Lopez 說(shuō)：“我們?cè)谶@里討論的系統(tǒng)對(duì)于高性能聚合物來(lái)說(shuō)確實(shí)非常出色，因?yàn)樗鼈兒茈y處理。我認(rèn)為用這種特殊方法制造的膠帶質(zhì)量非常合適，符合航空航天要求的質(zhì)量。”
關(guān)于非粉末/漿料浸漬，ter Steeg 說(shuō)：“當(dāng)然，我們也在研究熔體浸漬作為粉末的替代品，但目前我們內(nèi)部沒(méi)有該技術(shù)的能力。但我們正在密切關(guān)注此事。”
浸漬后，膠帶通過(guò)干燥器，然后進(jìn)入高溫烘箱，烘箱做三件事：熔化聚合物以確保均勻的聚合物浸漬；有助于減少空隙；并促進(jìn)基質(zhì)的適當(dāng)結(jié)晶度。“通過(guò)烘箱，我們確保將熔融聚合物完全浸漬到膠帶中，”ter Steeg 說(shuō)，“當(dāng)然，我們還以盡可能減少空隙的方式處理膠帶。”
烘干后，膠帶被修剪成一定長(zhǎng)度（邊角料將被收集并回收為用于注塑成型的短纖維），然后用激光技術(shù)進(jìn)行寬度、厚度和面積重量測(cè)量。“寬度與厚度存在相關(guān)性，因此我們基本上可以預(yù)先定義纖維面積重量，”ter Steeg 說(shuō)。“之后，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，以確保我們擁有準(zhǔn)確的纖維面積重量和準(zhǔn)確的樹(shù)脂含量。”
然后將膠帶纏繞在生產(chǎn)線末端的線軸上。“這是 24 英寸寬的卷，”ter Steeg 指著生產(chǎn)線末端的一卷膠帶說(shuō)。“我們有每平方米 115 克的 PPS 膠帶。目前，這卷膠帶近900米長(zhǎng)，沒(méi)有任何缺陷。”?他補(bǔ)充說(shuō)，該生產(chǎn)線可以生產(chǎn) 2.5 公里長(zhǎng)的膠帶，沒(méi)有缺陷或中斷。
生產(chǎn)線的速度無(wú)法透露，但 ter Steeg 確實(shí)聲稱它可以以高于帝人競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的速度生產(chǎn)熱塑性膠帶。“漿料中揮發(fā)物的蒸發(fā)是速度的唯一限制，”他指出。生產(chǎn)線的總產(chǎn)能因所生產(chǎn)材料的面積重量而異，但 ter Steeg 報(bào)告說(shuō)，該系統(tǒng)在最大吞吐量和最大面積重量下，每年可生產(chǎn)高達(dá) 320 公噸。
在流水線附近的控制室，帝人技術(shù)人員持續(xù)監(jiān)控所有制造參數(shù)，最終提供全面材料可追溯性所需的所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)。ter Steeg 說(shuō)：“正如你所知，這對(duì)航空航天來(lái)說(shuō)當(dāng)然至關(guān)重要，以確保一切都是可追溯的。因此，這就是為什么我們確實(shí)對(duì)所有基本數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控。”
就整體產(chǎn)品質(zhì)量而言，Lopez 說(shuō) PEEK 是衡量所有其他膠帶的標(biāo)準(zhǔn)。他指出，PEEK 的結(jié)晶度是加工最頻繁的三種樹(shù)脂中最一致的。“PEEK 是基線，因?yàn)榻Y(jié)晶率非常高，無(wú)論冷卻速度如何，它確實(shí)可以以一致的結(jié)晶度進(jìn)行焊接和成型，”他說(shuō)。“PEKK 和低熔點(diǎn) PAEK 不一定是這種情況，你必須更加小心地冷卻它。然而，通過(guò)我們這里的生產(chǎn)線，我們可以控制熱歷史，因此我們可以從這條線上獲得零冷結(jié)晶的材料。”
ter Steeg 說(shuō)，最重要的是，新生產(chǎn)線提供了前所未有的過(guò)程控制選項(xiàng)，可以生產(chǎn)高度一致的膠帶質(zhì)量。“這種質(zhì)量的長(zhǎng)度、寬度和速度在復(fù)合材料行業(yè)是獨(dú)一無(wú)二的，”他說(shuō)。“我們?cè)絹?lái)越接近熱固性膠帶的質(zhì)量。”
隨著航空航天業(yè)從 COVID-19 中復(fù)蘇，以及波音和空客考慮新的飛機(jī)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目肯定會(huì)擴(kuò)大熱塑性復(fù)合材料的使用，帝人正在關(guān)注市場(chǎng)，尋找需求最大的纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的信號(hào)。Teijin Carbon America 航空航天營(yíng)銷部門(mén)的 Jean Philippe-Canart 表示，Teijin 的 PPS 膠帶“在快速進(jìn)入項(xiàng)目方面取得了巨大成功，因此 PPS 在某種程度上為我們打開(kāi)了一些其他應(yīng)用的大門(mén)，例如航空航天中的二級(jí)結(jié)構(gòu)或內(nèi)部結(jié)構(gòu)。然后還有工業(yè)應(yīng)用，例如用膠帶纏繞來(lái)制造管道和管道。” Canart 還指出，碳纖維/PEEK 對(duì)于需要使用可加工復(fù)合材料塊的應(yīng)用很有吸引力。
Canart 說(shuō)，PEKK 的未來(lái)有些不確定，這是基于帝人對(duì)市場(chǎng)演變的看法。“我們看到 PEKK 有點(diǎn)擠在 PEEK 和低熔點(diǎn) PAEK 之間，”他說(shuō)。“如果你想要一種真正的低熔點(diǎn)材料，低熔點(diǎn) PAEK 往往比普通 PEKK 更有優(yōu)勢(shì)。如果你想要高性能，我們?nèi)匀粫?huì)推薦 PEEK。”
帝人已將這種新型寬膠帶提供給A&P Technology（美國(guó)俄亥俄州辛辛那提），A&P Technology 將其編織成中間格式，供熱塑性復(fù)合材料制造商ATC Manufacturing（美國(guó)愛(ài)達(dá)荷州波斯特福爾斯）使用和評(píng)估。Teijin 的 Lopez 在美國(guó)復(fù)合材料制造商協(xié)會(huì) 2022 機(jī)動(dòng)性會(huì)議上介紹了用于制造沖壓成型前緣肋的單向、織物和編織增強(qiáng)材料。帝人還參與了另一個(gè)項(xiàng)目，編織 0.125 英寸碳纖維/熱塑性塑料管，其長(zhǎng)度可達(dá) 1.2 公里。
A&P Technology 的 BIMAX 編織增強(qiáng)材料特寫(xiě)，采用帝人的 UD 熱塑性膠帶制成。?
在工業(yè)方面，ter Steeg 說(shuō) PPS 被證明極具吸引力。“我們?cè)谑袌?chǎng)上看到的是，需要一種具有高耐化學(xué)性和低吸濕性的聚合物，因此對(duì)于泵等產(chǎn)品，我們也看到了非常高的需求，”他說(shuō)。“人們?cè)谶@里尋找總成本最低的高質(zhì)量材料。”
在快速增長(zhǎng)的氫氣市場(chǎng)，Canart 表示帝人正在評(píng)估熱固性和熱塑性復(fù)合材料在低溫儲(chǔ)氫壓力容器中的應(yīng)用。“這當(dāng)然會(huì)帶來(lái)額外的復(fù)雜性，”他說(shuō)。
Canart 表示，帝人正在密切關(guān)注的終端市場(chǎng)是先進(jìn)空中機(jī)動(dòng)AAM，它可能需要大量的熱塑性復(fù)合材料供應(yīng)鏈。“AAM 想要和需要什么？”?Canart 問(wèn)道。“它會(huì)是一種標(biāo)準(zhǔn)的高性能聚合物，還是可能有其他聚合物的空間？”
這種航空肋條由 ATC Manufacturing 使用 A&P Technology 編織的 Teijin 單向熱塑性塑料帶沖壓成型。帝人對(duì)該材料進(jìn)行了初步定性評(píng)估，以驗(yàn)證其在高性能應(yīng)用中的能力。
這個(gè)問(wèn)題的答案將指導(dǎo)帝人在海因斯堡的下一步行動(dòng)。第三條線是可能的，ter Steeg 說(shuō)，假設(shè)有需求。那么更寬的磁帶呢？ter Steeg 說(shuō)，Teijin 目前生產(chǎn)的 24 英寸寬膠帶之所以吸引人，原因有很多。它滿足許多應(yīng)用程序的需要，并且相對(duì)容易處理。他認(rèn)為，寬度達(dá)到 36 英寸會(huì)帶來(lái)整合、收縮和處理方面的挑戰(zhàn)。此外，他指出，可以通過(guò)焊接兩條較窄的膠帶來(lái)制作較寬的膠帶。也就是說(shuō)，“一切都在畫(huà)面中，”他指出。“我們對(duì)許多可能性持開(kāi)放態(tài)度。”
位于德國(guó)海因斯堡的 Teijin Carbon Europe 工廠的外觀。
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原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：帝人擴(kuò)大熱塑性預(yù)浸帶生產(chǎn)
