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纤维增强塑料的市场商机
本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志 / 邢岫烟 / 2020-01-14 10:45:20
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标题图 Oechsler Drivematic驱动装置可集成到Arevo电动自行车e-bike 3D打印的CFRP半固定框架结构中( ©Arevo)

玻璃纤维增强热塑性塑料的传统市场仍保持稳定。热塑性复合材料通过3D打印和混合加工技术得到了快速发展。纤维复合材料行业目前正通过务实的方式解决回收问题。

纤维复合材料行业对他们在全球范围内的业绩感到满意: 88%的复合材料制造商认为其当前的业务状况好或非常好。但是,根据德国复合材料协会Composites Germany的数据,当前69%的估算值尚好,仅比半年前稍低一些。关于德国公司的未来发展前景,目前投资环境良好,但复合材料发展指数在过去两年里已大幅下降。尽管如此,该行业仍然相信,新的推动力会极大地提升人们的情绪,因为投资环境指数呈现增长的趋势。

玻璃纤维增强聚合物(GFRP)将继续主导市场。欧洲地区在过去两年里的年增长率约为2%,与其他国家存在较大差异。三分之二以上的GFRP应用都与运输和基础设施领域相关,因此该趋势原则上跟国内生产总值有关。尽管任何一个分支都没有在2017年遇到挫折, 但从长远来看,含热固性基体的复合材料的开放工艺将失去其领先地位,而RTM工艺的增长将超越平均水平。尽管数据看着不错,但欧洲地区的GFRP行业正在不断收缩,而世界其他地区(如亚洲和美洲)的增长速度则在加快。

KI发布的Plastixx复合材料指数在最近三年里实现了增长,其依据是用来生产GFRP的树脂和玻璃纤维的价格走势。增长是由聚酯树脂预制件的瓶颈以及与其反应物苯乙烯相关的原油价格上涨决定的。但是,在2019年,汽车行业开始显现疲软需求。

CFRP市场的垂直整合

碳纤维增强聚合物(CFRP)可以继续被视作纤维复合材料分支的全球驱动因素。基于对这种轻质材料的强烈兴趣,纤维制造商创造出了新的生产能力。2018年的碳纤维全球产能不足150 kt,而需求量约为80 kt。未来几年,可用的纤维数量(其中80%以上将进入CFRP市场)预计将增长 25%左右(图1)。

日本东京Toray公司的显赫地位将通过几年前被他们收购的美国Zoltek公司的大幅增长而得到巩固。此外,其他较小的市场成员(亚洲公司为主)也将迎来碳纤维产能的显著提升。和其他制造商一样,收购纤维加工和组件制造领域的公司已成为了一种在CFRP市场价值链中盈利的方式。尤其在亚洲地区,零部件制造行业正在迎头赶上,并且将随着纤维供应的增加而扩大。

相关碳复合材料(CC)的需求量约为155 kt(2018),达到了一个新高点,其中碳纤维增强聚合物的需求量最大。航空航天占所有碳复合材料应用(按销售额计)的36%,远超其他行业。民用飞机是最重要的增长动力之一,但在未来,私人公司雄心勃勃的太空飞行任务也将感受到这一增长。

此外,风能已被占CFRP需求24%(按销售额计)的汽车应用远远超过。纤维制造商正在不断满足所谓的大丝束产品(相对经济合算的碳纤维束,单丝数量非常多)的需求。高度集成的应用(通常是多材料设计)可为未来的汽车提供广阔的前景,不仅仅是那些具有最新驱动技术的汽车。

繁荣景象下的商机

以热塑性材料为基体的复合材料具有较高的存储稳定性、较短的加工周期和较简单的后续加工步骤(包括回收利用)。同样,这种经济合算的材料目前正处于繁荣发展时期。

热塑性玻璃纤维增强聚合物在全球范围内以高于平均水平5%的速度增长,它们的GFRP应用比例在过去20年里几乎翻了两番。 除了玻璃纤维毡增强热塑性材料(GMT)和传统的长纤维增强热塑性材料(LFRT),连续纤维增强复合材料也表现出来巨大的潜力:有机板和热塑性胶带有助于获得功能化的高强度表面组件。

尽管13%的GFRP组件含有热塑性基体,PEEK & Co.公司的PA却在不断增长的大规模生产型CFRP应用中占据了营业额的29%。虽然目前碳纤维增强热塑性塑料的份额增长了近17%,这种发展仅影响了一小部分复合材料市场:CFRP在整个欧洲的数量不及所有纤维复合材料应用的5%。

客户都喜欢完美无瑕的表面,但在汽车行业,这对纤维复合塑料(FCP)制造商来说一直是一个挑战。如果要摒弃昂贵的漆层,创新思维势在必行。尽管有多种模内喷涂技术可用于片状模塑料(SMC)和树脂传递模塑(RTM),但目前出现了一种 可用于RTM和轻型RTM加工的实用的无收缩乙烯基酯树脂系统——无需封闭涂层或附加近表面层即可生产出没有突出纤维或金属嵌件的A-1表面(图2)。使用StyLight Aesthetic系列可热成型纤维复合材料也可获得基于SAN或PP的高质量车辆表面。

图2 通过RTM工艺获得的 高 质 量 表 面 :通 过WaveScan测量进行质量比较(左)。针对不同汽车制造商的SCA车顶, C. F. Maier在轻型RTM工艺中使用了VE6520 Büfa树脂(右)( 来 源 :左 :B Y K -Gardner, ©右:C.F.Maier)

GFRP管材具有巨大的潜力,尤其对于仍很少被开发的大截面领域而言,但它们经常被其他材料所代替或受到规范不可捉摸的限制,例如最近更改的饮用水许可。储罐和工厂建设似乎是离心浇铸或缠绕GFRP产品背后的推动力,化学行业的再投资措施和其他发展也证明了这一点。高达100m³的无腐蚀GFC储罐也可用于冷热储藏,因为它具有高设计灵活性和低热损失。如果能适当地利用废热、冷暖生产用水、多余的光伏电流,制造公司的能源效率将显著提高(图3)。储罐的壳体铺层由紫外线硬化的板材制成,喷涂积层则用于底板和罐盖。

压机和打印机的连续加固

连续纤维增强热塑性塑料在批量生产中的应用越来越成功。 在专门研发的注塑机中生产混合组件的方法也已经确定:通过单一加工步骤用模制有机板制造出高刚性的扁平组件,然后用短纤维或长纤维增强的模塑料进行功能化来制成可快速组装的组件。移动通信设备的前端电路、电气或电子模块载体、电池组件以及外壳都可以通过这种方式制造。这种一次注模的混合方法应特别注意的是要将预热的有机板铺覆在注塑模具中。

但是,相同的细分市场也可以通过加工方法来满足,其中复合工艺能够生产出更多数量的零件:通过直接法制造的含有10-12mm长纤维的熔体可通过后续的冲击挤压在使用UD轮廓、带层或有机板的压制冲程中进行局部增强(图4)。与注射成型相比,这种E-LFT工艺(连续纤维增强的长纤维技术)在一定程度上限制了设计自由度,但通过这种方法可以经济有效地制造大型零件(表面最大可达3m2)。


从来没有一个技术能够像增材制造工艺一样震撼整个塑料行业。它不需要昂贵的模具,无需额外的费用即可生产批量为1的特殊型号,其多样的设计方案还将3D打印引入了制造业务。通常,3D复合打印是基于热塑性材料的FDM(熔融沉积成型,即FFF = 熔融长丝制造或FLM = 熔融层制造)的一种变体。热固性材料是个例外。

获得具有良好浸渍质量和高纤维体积含量的良好机械性能也是个不小的挑战,对于连续纤维增强应用而言,方法有多种(表1)。通过所谓的直接能量沉积(DED)工艺可获得高达50 vol. %以上的纤维体积含量,其中收缩长丝、预浸渍长丝以及基材均在沉积和原位加压期间通过激光熔化(标题图)。如果像许多打印概念那样通过堆叠2D平面进行构造,那么通过6轴机器人的三维链沉积可实现与负载路径兼容的纤维增强材料最大的设计自由度。

纤维回收

塑料回收是世界各地议程的重中之重。玻璃纤维增强聚合物占废物很大的一部分,德国每年仅拆卸下来和老化更新的风能设备就产生了约40,000吨的残留材料。

GFRP废物管理基本确立:对拆卸并压碎的转子叶片以及工厂建筑、船舶和建筑物的废物进行热利用和材料利用。但是,它们不再属于塑料分支。其主要客户是水泥生产商,他们在熟料生产过程中用磨碎的GFRP作为资源节约型替代燃料(图5)。产生的二氧化硅灰则作为原砂的替代品返回生产过程。


目前,CFRP行业不太关心报废问题,而是比较关心生产废料和进行回收的问题,这主要出于成本方面的考虑。CFRP干碎屑和过期预浸料的循环利用正在酝酿之中。树脂润湿纤维必须进行预处理,然后进行热解(例如:在高温条件下对塑料基体进行无氧降解),这种做法较为普遍。回收的纤维然后变成了新的增强材料,它通常以非织造布的形式出现,有一些则以热塑性纤维固化混合物或缝制和揉捏混合物的形式出现。大幅度缩短的纤维也可以在注塑成型应用中重复使用。同时,低浪费铺带工艺正在大力研发之中。

fibreEUse项目正在寻求FRP回收的新方法,例如:定制生产,如通过修理汽车和航空航天部件的方式以及从残余复合材料中提取创意产品的形式进行定制改造等。设计师正在尝试使用由磨碎的GFRP废料和新鲜聚酯树脂制成的Glebanite材料进行升级利用。铸造、压缩和冷挤压半成品都具有很大的塑造潜力。

展望

纤维复合材料领域最近几年的发展非常顺利。我们应静观汽车行业的动荡对德国这个塑料生产国的影响。CFRP热潮是否能够持续尚无法确定。

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