多年來，增強(qiáng)型熱塑性塑料一直用于汽車市場，主要用于非結(jié)構(gòu)的內(nèi)部部件。但是現(xiàn)在，熱塑性復(fù)合材料正在進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域和市場，因為制造商們都在努力生產(chǎn)更輕、更堅固、可以快速生產(chǎn)、后成型和可回收的部件。
熱固性塑料在整個市場上廣泛銷售，但更多的結(jié)構(gòu)性熱固性塑料正在汽車用于車輛輕量化的道路上。此外，由于航空航天在過去五年采用了更多的熱塑性復(fù)合材料，它們在行業(yè)中的整體作用已經(jīng)開始發(fā)生了變化。在航空航天中使用熱塑性塑料向其他行業(yè)證明了這種材料的應(yīng)用。與此同時，也增加了設(shè)計師和工程師們的經(jīng)驗，因此他們能夠利用這種材料來設(shè)計其他產(chǎn)品。如今，增強(qiáng)型熱塑性塑料的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)汽車零部件、石油和天然氣、電子、基礎(chǔ)設(shè)施和船舶應(yīng)用上。
熱塑性塑料的案例
熱塑性復(fù)合材料用于要求高硬度（剛度）和沖擊強(qiáng)度，以及溫度、濕度和化學(xué)抗性的應(yīng)用。在許多情況下，熱塑性塑料是高產(chǎn)量、輕量化或斷裂韌性應(yīng)用的極佳解決方案。
與熱固性復(fù)合材料相比，熱塑性塑料的一步固化過程不需要催化劑、烘箱或高壓釜。這種快速固化循環(huán)是熱塑性復(fù)合材料在注塑等大批量生產(chǎn)方法中應(yīng)用的原因。熱塑性聚合物在固化后不會發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，因此可以進(jìn)行重熔和重整。這提供了獨特的后成型能力，并解決了熱固性復(fù)合材料不能循環(huán)利用的弊端。事實上，許多人認(rèn)為其可回收性是未來增長的關(guān)鍵。
Polystrand 于 2016 年被普立萬（PolyOne）所收購，該公司因為熱塑性復(fù)合材料的可回收性，于 2001 年開始研究這種材料。“當(dāng)時，人們對回收非常關(guān)注——現(xiàn)在依然如此。”曾供職于 Polystrand 公司、現(xiàn)任 Gordon Development 總裁的邁克 • 戈登表示。“熱固性復(fù)合材料非常、非常難以回收。我們認(rèn)為未來可以用熱塑性復(fù)合材料制造產(chǎn)品，并利用制造副產(chǎn)品來制造其他產(chǎn)品。
阿科瑪（Arkema）的 Elium® 產(chǎn)品線業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理戴娜 •斯萬對此表示贊同。她指出目前歐盟（EU）和亞洲的汽車標(biāo)準(zhǔn)要求汽車幾乎完全是可回收的。“現(xiàn)在是歐盟，但我相信類似的標(biāo)準(zhǔn)正在進(jìn)入美國。熱固性塑料的可回收性取得了很大進(jìn)步，但實現(xiàn)真正獲得可回收，就必須選擇熱塑性塑料。”
美國緬因州大學(xué)（University of Maine）阿爾豐德結(jié)構(gòu)熱塑性高級制造實驗室（Alfond Advanced Manufacturing Lab for Structural Thermoplastics）的目標(biāo)是通過開發(fā)創(chuàng)新的制造工藝來提高結(jié)構(gòu)熱塑性塑料的市場占有率，以減少循環(huán)時間、減少浪費，提高可重復(fù)性和部件質(zhì)量。該實驗室的高級研發(fā)項目經(jīng)理戴維•厄布表示：“這是關(guān)于制造可循環(huán)利用的部件——就像鋁和鋼部件一樣——但要輕得多、工程設(shè)計得高得多。”
六個關(guān)鍵趨勢
在過去十年中，熱塑性材料和工藝的發(fā)展為大規(guī)模生產(chǎn)創(chuàng)造了更加復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)件，為高性能應(yīng)用和結(jié)構(gòu)復(fù)合材料創(chuàng)造了新的先進(jìn)材料，以及利用這者的混合工藝。以下是熱塑性復(fù)合材料發(fā)展的六個關(guān)鍵方面。
1. 長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料
大多數(shù)熱塑性復(fù)合材料都是采用非連續(xù)纖維注塑成型而成。短纖維（小于 1 毫米）已經(jīng)在汽車行業(yè)的熱塑性復(fù)合材料中使用了幾十年。最近，長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（LFRTs）從 1 毫米英寸到 25.4 毫米已經(jīng)進(jìn)入市場。長纖維增強(qiáng)熱塑性塑料為克服短纖維增強(qiáng)熱塑性塑料中的纖維長度缺陷，彌補(bǔ)其力學(xué)性能的不足而研發(fā)的更新材料。
LFRTs 一般以聚丙烯、聚酰胺（尼龍）、PET、聚苯硫醚、聚醚砜、聚醚醚酮等熱塑性塑料作為基體材料；以玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維作為增強(qiáng)材料。用連續(xù)纖維無捻粗紗與熱塑性塑料通過擠出、造粒或制片方法制成半成品，再經(jīng)注射或模壓成型為制品。
直接擠出混煉（DLFT）是一種較新的加工技術(shù)，可提供長纖維而不會熔化預(yù)成型顆粒。在三步法中，DLFT將樹脂（通常為聚丙烯）與任何添加劑混合，將連續(xù)纖維粗紗直接切割成樹脂，然后將部分增強(qiáng)材料以面團(tuán)狀或“圓面包”的形式擠壓到壓縮模具中。這樣就可以控制纖維的長度。
長纖維可以用更少的材料提高強(qiáng)度。航空航天制造商是LFRT 技術(shù)的早期采用者。如今 LFRTs 已開始在汽車市場上蓬勃發(fā)展，不僅因為輕量化優(yōu)勢，而且因為它們易于加工。長纖維注塑成型還可提供更好的蠕變沖擊和抗疲勞。
LFRT 的發(fā)展主要由汽車工業(yè)所推動，另外在消費品和工業(yè)品市場也將會有良好的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
2. 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRT）
連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料（CFRT）的產(chǎn)品形式有纖維預(yù)浸帶、織物預(yù)浸料、復(fù)合紗、拉擠產(chǎn)品等。玻璃纖維和碳纖維是制作連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料的主要增強(qiáng)材料，樹脂主要采用聚酰胺（PA）、聚丙烯（PP）、聚醚酰亞胺（PEI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。
增強(qiáng)熱塑性塑原料
航天工業(yè)的發(fā)展是推動連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料發(fā)展的巨大動力。由于連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料具有較高的韌性和損傷容限，以及優(yōu)異的高溫使用性能，使得該材料一問世引起航空工業(yè)的極大關(guān)注，并開始在飛機(jī)的應(yīng)用中顯示出了優(yōu)越性。另外，連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料近年來在汽車、體育器械、運輸、工業(yè)、醫(yī)療、船艇等市場的應(yīng)用也逐步擴(kuò)大。
普立萬（PolyOne™）Advanced Composites 的高級技術(shù)顧問埃德皮 • 爾佩爾表示，CFRT 預(yù)浸材料的引入顯著提高了熱塑性復(fù)合材料的抗沖擊性。這反過來又刺激了 Polystrand連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯等材料在運輸、建筑和施工以及防彈保護(hù)等市場中的新應(yīng)用。
應(yīng)用之一是卡車襯里。多年來，卡車內(nèi)襯都是用玻璃纖維增強(qiáng)聚酯熱固性塑料制成的，很容易損壞。熱塑性塑料襯里的防刺穿性更強(qiáng)。它們會比聚酯熱內(nèi)襯更禁用，現(xiàn)在大多數(shù)公司已經(jīng)完全轉(zhuǎn)向熱塑性復(fù)合材料。例如，歐洲一家汽車制造商在其越野車的后座系統(tǒng)中采用了該材料。朗盛 Tepex dynalite 提供了連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料半成品。制造商在車輛后座中間安裝了負(fù)載，實現(xiàn)了座位靠背的獨立折疊。該裝載組件經(jīng)Tepex dynalite成型并反向注入注塑模具而制成。“該組件標(biāo)志著這款復(fù)合材料（即 Tepex dynalite）進(jìn)軍后座系統(tǒng)輕量化設(shè)計領(lǐng)域，進(jìn)一步證明其具有批量生產(chǎn)應(yīng)用的巨大潛力。”朗盛技術(shù)市場及業(yè)務(wù)拓展 Tepex 汽車組負(fù)責(zé)人亨里克·普拉根堡說道。
3. 工程聚合物
工程樹脂——包括長、短碳纖維增強(qiáng)聚酰胺和高性能聚酞胺——的膨脹是熱塑性復(fù)合材料推廣的關(guān)鍵驅(qū)動力。與不太昂貴的商品樹脂不同，工程聚合物在高溫下具有優(yōu)異的力學(xué)性能，增加了硬度和韌性，并具有較低的蠕變。這使得它們成為更多金屬到塑料結(jié)構(gòu)部件的理想選擇。
數(shù)十年來，汽車行業(yè)一直在使用“漂亮的聚合物”——丙烯腈、丁二烯、苯乙烯和聚碳酸酯——來制造美觀的內(nèi)部復(fù)合部件，如內(nèi)飾。現(xiàn)在，汽車制造商正轉(zhuǎn)向聚苯二甲酰胺（PPA）熱塑性和碳纖維增強(qiáng)聚酰胺復(fù)合材料的更多結(jié)構(gòu)部件。例如，福特使用 Ultramid® 短碳纖維聚酰胺生產(chǎn)謝爾比GT350 野馬的底盤部分，并展示了長碳纖維聚酰胺的先進(jìn)動力系統(tǒng)零件。
PPA 之所以重要，是因為它們能夠?qū)⒁郧安豢赡軐崿F(xiàn)的較重的鋼鐵部件轉(zhuǎn)換為較輕的復(fù)合材料部件。工程塑料將在幫助原始設(shè)備制造商成本有效地滿足排放和燃油效率標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮重大作用。先進(jìn)的熱塑性聚合物復(fù)合材料也使許多數(shù)字技術(shù)成為可能，包括先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)，這些系統(tǒng)旨在自動化和提高車輛系統(tǒng)的安全性。PPAs 用于制造這些系統(tǒng)所需的許多檢查部件和電氣連接，因為它們體積小、薄、輕，并且具有高溫公差，因此可以在小空間中安全地組裝在一起。
4. 玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性熱塑片材
玻璃纖維氈增強(qiáng)熱塑性熱塑片材（GMT）是以熱塑性樹脂為基體，以玻璃纖維氈為增強(qiáng)骨架的板片狀結(jié)構(gòu)材料。塑料主要使用聚丙烯，也可使用 PET、PBT 或聚碳酸酯。GMT采用高速壓機(jī)或沖壓機(jī)成型為制品。
GMT 材料力學(xué)性能好，成型周期短，生產(chǎn)成本低，可模制較大的、形狀復(fù)雜的部件且尺寸穩(wěn)定性好，選用按所要求尺寸預(yù)先切好的 GMT，就有可能達(dá)到 50-300N/mm2 范圍內(nèi)的強(qiáng)度，模壓好的 GMT 部件幾乎是各向同性的，對于所有類型的沖擊都具有良好的強(qiáng)度，其最終產(chǎn)品沒有焊縫，而且可回收利用。GMT 材料以其優(yōu)于熱固性材料的性能和良好的性能價格比在汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用，同時也具有減輕質(zhì)量、降噪的效能，可用于制造保險杠橫梁、儀表板骨架、發(fā)動機(jī)罩蓋、防石擊罩、座椅骨架、電瓶托架、車廂底板、輪罩、行李架和車頂棚等多種車用零部件。
在建筑工業(yè)中 GMT 可取代金屬制作建筑模板。這種GMT 模板具有質(zhì)輕、剝離性好，結(jié)構(gòu)一體化、制件表面光潔等優(yōu)點；在交通運輸業(yè)中用 GMT 片材在集裝箱的底板上作內(nèi)襯，可大大減少維護(hù)保養(yǎng)費用；也可用 GMT 片材作蒙皮，高強(qiáng)泡沫作夾芯取代硬木及金屬制造集裝箱。哈爾濱玻璃鋼研究所獨立開發(fā)應(yīng)用了全復(fù)合材料絕緣梯配件、配電盒、泵蓋、油田用機(jī)箱底板和軸承端蓋等。
5. 壓縮成型
雖然不像注塑那樣廣泛使用，但壓縮成型可以是一種成本較低的替代方法。皮爾說：“它不會像注塑那樣快，但如果你制造的零件更少，制作模具的成本就會低得多。”壓縮成型還可以生產(chǎn)更高纖維的零件。阿拉巴馬大學(xué)伯明翰分校的材料加工和應(yīng)用開發(fā)中心采用了選擇性增強(qiáng)的壓縮成型技術(shù)，使纖維含量達(dá)到 65% 到 70%，這與注射成型零件通常達(dá)到 30% 到 40% 的纖維含量形成了鮮明的對比。更高的纖維含量可以幫助最大限度地提高性能，特別是剛度。在應(yīng)用中，這點十分重要。
大量的努力，以提高壓縮成型速度的結(jié)構(gòu)件正在進(jìn)行中。美國緬因州大學(xué)的阿爾豐德實驗室正與工業(yè)界合作，演示自動鋪帶（ATL）與壓縮成型相結(jié)合的效果。該實驗室使用ATL 機(jī)器在超聲波焊接和模壓成型之前，快速地在不同方向上鋪設(shè)預(yù)先加固的結(jié)構(gòu)膠帶。該實驗室利用這一過程開發(fā)了一種汽車差速器蓋的原型。
與此同時，總部位于法國的行業(yè)聯(lián)盟 IRT-M2P 開發(fā)了一種名為快速 RTM 的創(chuàng)新處理方法。該樹脂轉(zhuǎn)移成型工藝使汽車和航空航天工業(yè)的結(jié)構(gòu)熱塑性塑料和熱固性復(fù)合零件的兩分鐘循環(huán)生產(chǎn)成為可能。
去年，該協(xié)會成員阿科瑪（Arkema）推出了 Elium，這是第一種可以在室溫下固化的液體熱塑性塑料。與熱固性材料一樣，它也可以使用引發(fā)劑的兩步法固化?？焖?RTM 平臺將 Elium 注入 CFRT，并在 Pinette P.E.I. 短沖程 ECS-Press 中進(jìn)行模壓。由于 Elium 是一種液體反應(yīng)體系，不需要加熱到與其他熱塑性塑料相同的高溫，該工藝可用于成型凈形狀的CFRP 熱塑性零件。
阿科瑪公司說，Elium 樹脂聚合速度快，可以在汽車工業(yè)和其他行業(yè)中用作結(jié)構(gòu)件和裝飾材料。阿科瑪指出，Elium 樹脂是一種多功能的、輕質(zhì)的、易于使用和性能優(yōu)異的復(fù)合材料。它們是基于傳統(tǒng)的已經(jīng)被生產(chǎn)者使用的技術(shù)和工藝。該公司聲稱，在具有相同強(qiáng)度的前提下，Elium 復(fù)合材料制作的部件比鋼制的同一部件輕 30-50%。當(dāng)結(jié)合阿科瑪?shù)?LUPEROX過氧化物催化劑，Elium 可以被塑造成復(fù)雜的形式，還可以與玻璃纖維或碳纖維混合使用。它也能與傳統(tǒng)的熱固性樹脂轉(zhuǎn)化技術(shù)兼容（RTM，彎曲成型），降低了轉(zhuǎn)化的成本。
6. 二次成型
二次成型是指兩種不同材料一起成型的混合工藝，先成型基體層，再在原始部件上或周圍模制附加層。最常見的二次成型，是將 CFRT 放入注塑工具中，然后再將短或長纖維熱塑性塑料注入模具中。
Composites One先進(jìn)復(fù)合材料副總裁德懷特•貝克說：“我們認(rèn)為，采用短纖維注射成型材料的連續(xù)纖維是熱塑性復(fù)合材料中最重要的進(jìn)步之一。這提供了很大的設(shè)計靈活性。”例如，與完全注塑成型的零件相比，可以建造完整的結(jié)構(gòu)和連接點，并減少重量和成本。
二次成型也可用于 CFRT 壓 縮 成 型。 例 如， 普 立 萬（PolyOne）的多股連續(xù)纖維熱塑性增強(qiáng)材料被戰(zhàn)略性地放入工具中，然后在某些汽車應(yīng)用中用長纖維聚丙烯壓縮二次成型。這為部件提供了加強(qiáng)，防止零件在受到?jīng)_擊時脫鉤。皮爾佩爾認(rèn)為，采用二次成型這種選擇性強(qiáng)化，是一個非常重要的創(chuàng)新，顯然是市場的走向之一。
在不同類型的二次成型中，熱塑性塑料被注射到基本的壓縮成型零件表面。這允許制造出越來越復(fù)雜的細(xì)節(jié)，如通道、螺栓、插入件和引出件。這種技術(shù)可以用來創(chuàng)建汽車儀表板。
熱塑性塑料的未來
熱塑性復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛。隨著工業(yè)領(lǐng)域繼續(xù)尋找用更輕的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料替代金屬的方法，熱塑性復(fù)合材料越來越受到關(guān)注。熱塑性復(fù)合材料部件的全壽命分析值更佳。它們不僅可以用于輕型車輛和其他用途，而且因為它們更輕，在較低的溫度下熔化，它們在加工、運輸和回收過程中消耗的能源要比金屬少得多。
許多公司都寄希望于此。普立萬（PolyOne）在 2016 年收購 Polystrand 時，將連續(xù)纖維熱塑性復(fù)合材料加入到自己的投資組合中，并于后來收購了領(lǐng)先的 LFRT 復(fù)合材料生產(chǎn)商 PlastiComp。普立萬的技術(shù)主管道格 • 哈蒙德表示：“復(fù)合材料是我們的一個重要關(guān)注點。我們相信這些材料將在未來塑料的關(guān)鍵市場發(fā)揮重要作用。”
未來，多專業(yè)、跨行業(yè)、上下游全產(chǎn)業(yè)鏈一體化的聯(lián)合開發(fā)己經(jīng)成為一種有效的、快速的、互惠共利的協(xié)同發(fā)展模式；新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備趨向更加成熟與廣泛應(yīng)用；FRT 材料數(shù)據(jù)庫建立、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算機(jī)仿真 CAE 技術(shù)廣泛應(yīng)用。CFRT 材料越來越多的應(yīng)用面臨的主要挑戰(zhàn)之一是，如何設(shè)計出具有高可靠性、易于制造的產(chǎn)品。缺乏可靠運行FEA 和流程建模軟件所需的數(shù)據(jù)，以生成設(shè)計界所需的信息。
熱塑性復(fù)合材料已經(jīng)迅速得到了全世界的認(rèn)可，它可以替代很多材料，如壓鑄件、金屬組裝件、市場中的傳統(tǒng)塑料，包括工業(yè)設(shè)備、汽車、消費品等。高沖擊強(qiáng)度、更好的表面質(zhì)量、低產(chǎn)品報廢率、在高溫和零下溫度環(huán)境中的高剛性、在嚴(yán)酷環(huán)境和恒定載荷下的抗蠕變性使熱塑性復(fù)合材料市場比熱固性和金屬材料市場更加有利可圖。性價比的優(yōu)勢讓熱塑性復(fù)合材料在航空航天與國防、交通運輸、電氣電子行業(yè)更具吸引力。
大規(guī)模的工業(yè)在未來將繼續(xù)要求自動化，熱塑性復(fù)合材料天生就適合自動化生產(chǎn)。自動化顯然是許多復(fù)合材料制造商目前面臨的一個大問題。然而，熱塑性塑料最終會解決這個問題。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
聚砜醫(yī)療干粉吸入...
塑料包裝材料的減...
汽車功能鍵觸摸蓋I...
高性能注塑聚丙烯...
