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《高温树脂传递模塑复合材料取得新突破》

  • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
  • 编译者： 冯瑞华
  • 发布时间：2021-12-06

  • Nexam Chemical 的 Neximid 高温树脂系统可以在高达 400°C 的温度下运行，将复合材料的界限扩展到以前不可能实现的、更高要求的应用领域。

     

     


    英国国家复合材料中心（NCC，英国布里斯托尔）与 Nexam Chemical AB（瑞典洛马）合作，成功制造了一种使用高温树脂的复合材料，为应对在组件中使用先进材料的挑战提供了解决方案需要承受极端温度。


    据说 NCC 在大批量制造、模具、设计、材料科学和流动模拟领域的跨学科专业知识有助于解决高温下存在的制造挑战，并证明可以使用树脂制造复合材料部件。NCC 表示，这一发展为工业利用复合材料所提供的品质铺平了道路，这些品质在非常热的元素中，例如发动机的部分和电池的外壳，这在以前是不可能的。


    在整个研究过程中，专家团队使用了 Nexam Chemical 的新型树脂系统 Neximid。Neximid 在英国生产，可在高达 400°C 的温度下运行，高于 NCC 报告的几乎所有其他树脂系统。虽然树脂传递模塑 (RTM) 通常在 120°C 左右进行，但通过开发高温专业设备——包括独特的模具设计和高温密封——NCC 能够在整个注射过程中将树脂保持在 250°C 以上，使树脂的高温能力与最终产品的高加工温度相结合，可以应对比以前的复合材料高得多的温度。


    在整个过程中，作为高价值制造发射创新中心 (High Value Manufacturing Catapult)的成员，NCC 也表明该树脂系统是安全的，不会像其他聚酰亚胺树脂那样排放大量有毒气体。


    “能够使用英国生产的高温树脂系统制造碳纤维复合材料是向前迈出的一大步，使工业能够在以前无法利用的组件中采用先进材料，”高级研究工程师 David King 博士说在 NCC。 “该材料出色的热性能将复合材料的界限扩展到更苛刻的应用中。基于这种扩展能力的新细节，我们已经在与行业客户合作开发复合材料部件的新应用，并且很高兴通过与 Nexam 和其他合作伙伴密切合作进一步开发我们的高温 RTM 能力。”


    根据 Nexam Chemical UK & Ireland 业务发展部的 Boyd Cushing 的说法，该公司期待欢迎工业合作伙伴，这些合作伙伴可能对其源自苏格兰的 Neximid 非 ITAR 限制树脂在航空航天和国防应用中寻求高性能感兴趣材料复合零件。


    在这次成功的合作之后，Nexam Chemical 以中小企业附属会员的身份加入了 NCC，为进一步的项目铺平了道路，这些项目将帮助工业利用高温 RTM 发挥优势。

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为大批量市场开发成熟的先进制造工艺，以1到2分钟为周期。降低材料和零件成本，使复合材料零件具有与钢铁和铝零件的竞争力。发展颠覆性技术，在生命周期和性能方面获得竞争优势。 碳纤维市场继续以每年10%到15%的速度增长。2018年，全球碳纤维需求量约为85000公吨。去年的增长是由航空航天项目、风电叶片和各种工业应用中碳纤维使用量的增量增长带动的。 在可预见的未来，预计这一产业将保持该增长速度。其中，航空航天和风电叶片的应用各占市场的五分之一左右，而汽车和体育用品占据市场的六分之一左右。剩余的25%到30%的市场包括各种各样的应用：注塑塑料、压力容器、建筑和基础设施加固、工具、海洋、石油和天然气。随着更多应用和程序投入生产，所有细分市场都在增长。 碳纤维生产的行业能力正在收紧。工业铭牌容量（额定产能）可能为14万公吨，但考虑到生产产品的组合和品种以及工艺固有的击倒效应，有效工业净容量仅为10万公吨左右。因此，我们目前看到，无论是长期生产商还是新进入场的参与者，都有几家新工厂和产能扩张正在进行。 中国是新进的参与者，占世界碳纤维需求的20%到25%，而且中国也有追赶的能力和空间：中国生产商拥有世界铭牌产能的12%到15%，但生产的碳纤维不到世界碳纤维的5%。中国公司有充分的资源来实现更多的自我发展目标。预计2019-2020年碳纤维需求将突破10万吨，且预计产能还将增加。 在任何应用中，对碳纤维增强塑料CFRP的接受与否将取决于技术条件和经济效益。在大多数应用中，碳纤维的主要技术优势来自于材料的高强度重量性能，从而降低了重量结构。 所有最终用途的细分市场都显示出巨大的增长潜力。航空航天、风电叶片、体育用品和模塑料都是很好的最终用途，随着越来越多的项目被设计成使用碳纤维复合材料，它们将继续保持增长。压力容器（用于压缩天然气、液化石油气、氢气等）以及建筑和基础设施应用是较新的最终用途，随着其效益和施工方法的进一步开拓，增长潜力巨大。 汽车应用具有最高的市场潜力。由于大规模生产应用的采用和自动化程度的提高，碳纤维的成本和碳纤维增强塑料零部件的制造成本预计都将下降，因此碳纤维在汽车应用中的机会几乎是不可想象的。大批量生产将导致更低的成本和更大的接受度。 美国的经济增长是通过基础设施投资实现的，但资金缺口已经形成，威胁到未来的增长和增长速度。在未来10年里，美国土木工程师学会（ASCE）预计收入和需求之间的资金缺口将达1.4万亿美元，如果不能大幅缩小资金缺口，将导致美国国内生产总值（GDP）损失3.9万亿美元，就业机会减少250万人；由于基础设施薄弱，每家每年将花费3400美元。 纤维增强聚合物复合材料产品和相关系统可以有效地修复或改造美国正在使用的基础设施，而更换成本仅为原成本的一小部分。特别是在高腐蚀地区，与传统建筑材料相比，它们可以带来更经济的替换。 碳纤维生产的行业能力正在收紧。工业铭牌容量（额定产能）可能为14万公吨，但考虑到生产产品的组合和品种以及工艺固有的击倒效应，有效工业净容量仅为10万公吨左右。因此，我们目前看到，无论是长期生产商还是新进入场的参与者，都有几家新工厂和产能扩张正在进行。 中国是新进的参与者，占世界碳纤维需求的20%到25%，而且中国也有追赶的能力和空间：中国生产商拥有世界铭牌产能的12%到15%，但生产的碳纤维不到世界碳纤维的5%。中国公司有充分的资源来实现更多的自我发展目标。预计2019-2020年碳纤维需求将突破10万吨，且预计产能还将增加。 在任何应用中，对碳纤维增强塑料CFRP的接受与否将取决于技术条件和经济效益。在大多数应用中，碳纤维的主要技术优势来自于材料的高强度重量性能，从而降低了重量结构。 所有最终用途的细分市场都显示出巨大的增长潜力。航空航天、风电叶片、体育用品和模塑料都是很好的最终用途，随着越来越多的项目被设计成使用碳纤维复合材料，它们将继续保持增长。压力容器（用于压缩天然气、液化石油气、氢气等）以及建筑和基础设施应用是较新的最终用途，随着其效益和施工方法的进一步开拓，增长潜力巨大。 汽车应用具有最高的市场潜力。由于大规模生产应用的采用和自动化程度的提高，碳纤维的成本和碳纤维增强塑料零部件的制造成本预计都将下降，因此碳纤维在汽车应用中的机会几乎是不可想象的。大批量生产将导致更低的成本和更大的接受度。 美国的经济增长是通过基础设施投资实现的，但资金缺口已经形成，威胁到未来的增长和增长速度。在未来10年里，美国土木工程师学会（ASCE）预计收入和需求之间的资金缺口将达1.4万亿美元，如果不能大幅缩小资金缺口，将导致美国国内生产总值（GDP）损失3.9万亿美元，就业机会减少250万人；由于基础设施薄弱，每家每年将花费3400美元。 纤维增强聚合物复合材料产品和相关系统可以有效地修复或改造美国正在使用的基础设施，而更换成本仅为原成本的一小部分。特别是在高腐蚀地区，与传统建筑材料相比，它们可以带来更经济的替换。 汽车新技术的出现也将影响到该行业未来对复合材料的需求。目前，电动动力总成和自动驾驶汽车对汽车材料的影响目前是争论的焦点。电动车辆具有必须封闭的大型电池，以提供对环境和路面的保护。无人驾驶汽车将改变人们与汽车互动的方式，并为车的内部功能创造新的需求和愿望。对于复合材料而言，这些技术变化的时间和规模，将决定它们是短期还是长期具有吸引力的机会。 复合材料在汽车行业的市场份额仍有很大的提升空间。在短期内，对轻量级结构的需求将推动复合材料的新应用，以帮助满足日益增长的监管障碍。 欧洲的复合材料工业连续第六年增长，与前一年相比增长了2%，估计总产量为114万公吨。同过去几年一样，欧洲生产的玻璃钢数量反映了在各个市场部门观察到的趋势。主要用于汽车工业的热塑性塑料的生产，总体上仍比大多数热固性材料的生产增长更为强劲。 尽管欧洲的玻璃钢产量持续增长，但其产量仍落后于全球平均的市场趋势。特别是在亚洲和美国，近年来的产量一直在以超过2%的速度增长。 一项按国家分类的分析突出了欧洲内部的各种趋势。区域市场之间存在着很大的差异，需要进行单独的分析。例如，德国的玻璃钢加工十分注重运输部门和电子/电子工业。相比之下，土耳其的基础设施市场正在蓬勃发展，而挪威和瑞典的石油和天然气行业则表现强劲。 从积极的方面看，所审查的任何欧洲区域的生产都没有下降。西班牙、葡萄牙、法国和意大利等南欧国家今年的经济增长率均高于平均水平。2012年以来，西班牙、葡萄牙产量明显稳定，近期呈上升趋势。德国仍是欧洲复合材料的领导者，2018年的总产量为22.9万吨。 东欧国家的市场增长率高于平均水平2.5%。在比荷卢三国（比利时、荷兰和卢森堡）、斯堪的纳维亚、奥地利和瑞士，报告的水平保持不变，因此低于平均水平。英国和爱尔兰的产量仅增长了1.3%。 除了用于系列生产的既定材料（如SMC/BMC和热塑性塑料）外，既定的连续工艺（如拉挤）也再次成为人们关注的焦点。 不同的细分市场也为提高玻璃钢产量带来了希望。GFRP在天线结构和建筑覆层中具有较大的应用潜力。复合材料已经在日益增长的航空航天领域的轻质建筑概念中发挥了关键作用。能源部门也在扩张，近年来变得越来越重要。这一趋势将持续多年。 由于GFRP和其他复合材料的通用性和与其他材料结合的非凡适用性，它们在许多应用中具有突出的潜力。然而，对这些材料的认识仍然十分有限，决策者无法广泛考虑这些材料。这种情况必须改变，因为组合通常是一种很好的选择，如果不是更好的话。如果客户能够重新评估这些材料和复合材料是否符合标准/规范，那么未来几年欧洲市场的增长速度将比以往更快。 中国占全球建筑总量的一半以上，这是复合材料的主要推动力。过去10年，快速增长的汽车、铁路、建筑和风能行业对先进材料的巨大需求，彻底改变了中国复合材料行业。在原材料、夹层芯材及辅助材料、制造工艺、模具、设计技术及应用等方面取得了显著进展。 中国的玻璃钢工业直到1995年左右才开始起步，而美国的复合材料工业早在二十世纪70年代初就已全面发展起来。在过去20年的快速发展中，中国已成为世界上最大的玻璃纤维生产国和供应国。今天，中国玻璃纤维复合材料行业的市场规模是美国的两倍。中国利用玻璃钢的主要垂直领域包括电力、交通、建筑、水处理、风能和化工。 玻璃纤维产能已达385万吨，其中中国巨石、泰山玻纤、重庆国际复合材料占60%以上。中国有近5000家复合材料生产企业，玻璃纤维复合材料年出货量462万吨。 中国工业对碳纤维的研究、开发和商业化落后工业化国家约35年，市场仍处于起步阶段。2000年，中国政府和行业开始投资碳纤维的生产。在2017年，只有7家公司能够每年生产1000吨以上的碳纤维来满足中国国内市场的需求。中国碳纤维工业在数量、质量、性能、应用等方面与工业化国家还存在较大差距。目前，中国的CFRP复合材料在体育休闲产品和一般工业（如风能、汽车、交通和建筑）上的消耗量几乎相当。 尽管市场起步较晚，但2017年中国碳纤维产量与进口碳纤维一起达到了5700吨的出货量，能够满足国内23487吨的市场需求。未来看上去很光明，中国拥有最大的聚丙烯腈（PAN）纤维的生产量，这将使聚丙烯腈基碳纤维及复合材料行业在未来十年继续扩大。 中国复合材料行业的发展，市场渗透率的显著提高，为海外企业提供了巨大的机遇。以中国风能市场为例：在过去10年里，中国风电行业以平均每年41%的速度增长，到2017年，风电装机容量将达到1.88亿千瓦。该行业的目标是到2020年总装机容量达到2亿千瓦，其中海上装机容量为3000万千瓦。所有主要的风能公司在中国都有业务，包括维斯塔斯、通用电气、西门子Gamesa和LM风电。 中国复合材料行业预计两年后将迎来一个转折点，届时国内碳纤维产量将超过进口数量。多家公司将拥有高性能级碳纤维（T700/T800/T1000）生产线，并计划应对技术挑战，确保国内产品与进口产品竞争。 为促进复合材料的广泛应用，中国复合材料产业正在研究低成本设计制造技术、结构多功能集成技术、环保材料、修复改造技术、循环利用技术。随着复合材料的优势得到更广泛的传播，特别是在下游终端用户中，该行业也将从中受益。此外，自动化生产、现代化管理和规模化生产，加上严格的质量保证和质量控制，以及各种市场的不断扩大，必将使中国复合材料工业在未来十年以每年两位数的速度增长。
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  • 《新方法成功将碳纤维复合材料回收为可重复使用的材料》
    • 来源专题：工程机械与高端装备
    • 编译者：赵卫华
    • 发布时间：2024-11-27
    • 南加州大学的研究人员开发了一种新工艺，可升级回收汽车面板和轻轨车辆中出现的复合材料，解决当前交通和能源领域的环境挑战。该研究最近发表在《美国化学会杂志》上。 南加州大学多恩西夫文学、艺术与科学学院的化学教授特拉维斯·威廉姆斯（Travis Williams）说，“我不确定是否有可能完全回收复合材料”。“虽然这些材料在制造节能汽车方面非常出色，但复合材料的问题在于我们没有切实可行的回收途径，因此这些材料最终都被填埋了”。 该研究中展示的化学反应是Williams与南加州大学维特比工程学院MCGill 复合材料中心的Steven Nutt教授、南加州大学Alfred E. Mann药学和制药科学学院的Clay CC Wang教授以及美国加州大学伯克利分校的Berl Oakley合作进行的。堪萨斯大学的一种新方法表明，复合材料可以以保持材料完整性的方式回收和再循环。 日常材料 碳纤维是由碳原子构成的细纤维；它们非常轻，但具有非常高的拉伸强度和刚度，非常适合制造。聚合物基体是一种类似塑料的刚性材料（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂），充当粘合剂；聚合物将碳纤维固定在一起并赋予复合材料形状。 CFRP，即碳纤维增强聚合物，是一种结合了碳纤维和聚合物成分的复合材料。威廉姆斯说：“这项研究展示了第一个成功的方法，可以从碳纤维和CFRP 材料的聚合物基体中回收高价值。” Williams说，“如果你环顾世界，你会发现碳纤维复合材料无处不在”“它们在我的自行车、我的汽车和我邻居的假肢里。”复合材料是大规模制造中最常用的材料之一。汽车和飞机的结构板以及许多其他部件越来越多地使用碳纤维增强塑料制造。 “碳纤维增强塑料面临的挑战是你无法熔化它们或重新粘合它们，这使得它们在使用寿命结束时难以分离和回收，”Williams说。事实上，适用于约1%复合材料废物的唯一可用回收方法是烧掉聚合物基体。 南加州大学维特比分校的化学工程教授Nutt对这一策略表示反对，他说：“基质是一种我们不想牺牲的工程材料。” 可持续方法 预测表明，到2030年，6,000-8,000架含有复合材料的商用飞机将达到使用寿命，到2050年，退役的风力涡轮机将产生 483,000 吨复合材料废物。威廉姆斯表示，他的实验室的升级回收方法为日益严重的废物问题提供了可持续的解决方案：“我们的方法有潜力在回收和化学制造领域创造新的价值链，同时显着减少复合材料对环境的影响。” 升级回收方法节省了CFRP的碳纤维，这是该材料坚固耐用的部分。这些纤维保持良好状态，团队展示了如何在新制造中重复使用它们，保持超过97%的原始强度。该方法是第一个成功地从碳纤维复合材料的基体和碳纤维部分中获得价值的方法，将废物转化为有用的产品并减少环境危害。 真菌溶液 生物技术对于从废弃的聚合物基质中回收价值至关重要。研究人员还引入了一种特殊类型的真菌，称为构巢曲霉，它首先是在堪萨斯大学贝尔奥克利实验室设计的。南加州大学研究小组发现，在纤维回收反应将聚合物切碎成苯甲酸后，这种真菌可以从复合基质中重建材料，然后将苯甲酸用作真菌的食物来源，以生产一种称为OTA的化学物质（（2Z,4Z,6E）-八-2,4,6-三烯酸）使用这种真菌的工程菌株。 “OTA可用于制造具有潜在医疗应用的产品，例如抗生素或抗炎药，”南加州大学曼恩教授兼药理学和药物科学系主任、联合研究员王说。“这一发现很重要，因为它展示了一种新的、更有效的方法，可以将以前被认为是废弃的材料变成可用于医学的有价值的东西。” 这种升级回收方法不仅展示了利用真菌对废料进行生物催化升级的潜力，而且还突出了一种通过将纤维和基体成分回收为高价值产品来回收复合材料的新方法。 Williams说：“随着对碳纤维增强塑料的需求持续增长，这一突破出现在关键时刻。”“预计未来几十年CFRP废物将显着增加，这一概念为可持续材料管理提供了一个有前景的解决方案。”
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