2020年03月29日 星期日
歡迎您來到中國復合材料學會官方網站
學會動態
【行業動態】聚丙烯自增強復合材料技術產業發展現狀
來源: 時間: 2020-02-14 瀏覽: 566

早在1975年,英國利茲大學的Capiati和Porter首次提出單聚合物復合材料(也稱之為自增強復合材料)的概念。

聚丙烯纖維增強聚丙烯基復合材料是一種自增強熱塑性復合材料,簡稱為All-PP。它獨特的自增強結構在各向同性的聚合物和纖維增強復合材料間建立了橋梁,既輕質、可真正循環回收利于環保,又具有良好的力學性能和優異的低溫抗沖擊強度,既繼承了傳統纖維增強熱塑性復合材料的優點,又糾正它們的不足,很好地解決了目前復合材料行業存在的性能、環保和價格問題,有很大發展前景,其特點及優勢主要包括以下方面:

(1)輕質:All-PP密度低,相對密度為0.95左右,幾乎低于所有的塑料;

(2)可回收利用:由于材料中沒有第二種組分,所以可以實現100%的回收,且加工過程對人體無害,綠色環保; 

(3)機械性能高:強度高,突出的抗沖擊性和抗低溫沖擊性;

(4)耐磨損:All-PP硬度高,耐磨損程度超過傳統的熱塑性塑料和纖維增強復合材料;

(5)易處理:All-PP輕柔,無皮膚不適,對模具和切割刀具磨損也??;

(6)易成型:All-PP沖壓成型方便,延展性較好,甚至在高拉伸區也有較好的纖維分布,低壓生產,設備投資低,能量消耗低;

(7)生產周期縮短:All-PP生產周期低于60秒甚至更低;

(8)低成本:All-PP的生產成本為GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)的2倍,但可減輕重量,且制造成本更低,通常無需后處理(打磨噴涂),整體而言,成本相當。

  GMT因其突出的可沖韌性、制備工藝短、比強度高、可回收再利用等優點,成為最受寵的“21世紀綠色復合材料”,全世界生產GMT的主要廠商主要集中在美國、日本、德國等發達國家。美、日、德、法、韓等各國的汽車均大量應用GMT制作零部件。而All-PP已成為GMT的強有力競爭對手,其性能對比如表1。

表1 聚丙烯自增強復合材料(All-PP)與玻璃氈片增強熱塑性塑料(GMT)性能對比

圖片8.png 

2002年1月,由英國Leeds大學研發,由英國BP Amoco公司在德國Gronau工廠(圖1)規?;?,商品名為Curv?,年生產能力5000T,厚度0.3~3.0mm,最大寬幅1360mm,生產線如如圖2。耐克公司將Curv?材料應用于生產最具人性化能量消耗考慮的系列運動護膝上。同時有許多家制造沖浪板的廠商采用Curv?材料生產風箏式沖浪板。奔馳汽車采用Curv通過熱成型制作汽車底盤護板;一家音響公司已用Curv?制成擴音錐面,如圖3。

圖片9.png 

圖1 德國生產聚丙烯自增強復合材料CURV的工廠

圖片10.png 

圖2 德國生產聚丙烯自增強復合材料CURV生產線

 圖片11.png

圖3 聚丙烯自增強復合材料CURV材質產品

其中,最為著名和成功應用CURV的,還是Samsonite(新秀麗),一個世界著名的箱包品牌,其創新性的采用聚丙烯自增強復合材料Curv?開發的Cosmolite系列旅行箱,獲得2010年“紅點設計獎”最佳設計獎,其生產的每只Curv?材料產品都會打上“MADEIN EUROPE”的標志,由其產品在國際市場的唯一性和特殊性,取得巨大成功。

另一派系,由荷蘭Eindhoven大學、英國倫敦大學Queen Mary學院以及4家荷蘭公司Lankhorst-Indutech、BW、Polynorm和DSM組成研究小組共同開發的All-PP,于2002年初,由Lankhorst/Indutech公司實現了規?;?商品名Pure?。在法國巴黎JEC2003展會上,Lankhorst/Indutech公司就展出了Pure?產品。在2019年的JEC展上,荷蘭Delft熱塑性復合材料公司(DTC)展出用Pure?材料制作的頭盔和行李箱,如圖4。

圖片12.png

圖4 2019法國巴黎JEC展聚丙烯自增強復合材料PURE材質產品

圖片13.png

圖5是意大利知名箱包品牌RONCATO用Pure制造的行李箱

但是,很可惜,成功并沒有得到如期的復制,最大的問題出在PURE材料本身,纖維和基體的粘合界面強度不夠,輪座處形狀極其復雜,在快速沖下,材料內部發生分層,雖然表面肉眼無法發現,但是其表現很明顯,在輪角處材料變得很軟,起不到支撐作用,材料內部損傷嚴重,使用中輪子甚至會像烏龜腦袋一樣,縮到殼子里去,另外,此處的褶皺非常明顯,圖6,成型技術不成熟。

圖片13.png

圖6 采用聚丙烯自增強復合材料PURE行李箱輪座處

國外針對All-PP的產業大體就這兩派,一開始的時候,兩家為該項技術的專利問題有過官司,下圖7。

圖片15.png 

其它一些品牌采用的臺灣的板材存在同樣的問題,與CURV和PURE相比,不可相提并論。對于All-PP的技術研究,世界各地著名高校很多,不一一列舉,直到2019年仍然還有相關的高水平文章發表。但是,仍然還有很多科學問題沒有得到解決。

反觀國內,在2002年剛出現的時候,國內專家有過關注,寫了好幾個報道,但幾乎沒有人關注,相關研究非常少。泰安石英復合材料有限公司歷經三年苦心經營,目前,聚丙烯自增強復合材料板材生產,制品生產均已穩定批量生產。并與多個國內外知名箱包品牌合作,愛可樂(Echolac),德國TITAN,日本ACE等,并正在規劃全球分片區的獨家品牌授權。公司生產的板材厚度范圍為0.5mm-3mm,板材最大尺寸為1.2m×2.0m,如圖8。

 圖片16.png

圖8 泰安石英復合材料有限公司生產制造的聚丙烯自增強復合材料(All-PP)板材

        在All-PP產品成型制造方面,泰安石英復合材料有限公司基本解決了All-PP熱沖壓過程中纖維斷裂,褶皺,分層等多個關鍵技術問題,如圖9。公司目前正在對連續快速沖壓生產線進行升級,進一步提高自動化水平,提高生產效率,成型時間有望控制在2分鐘以內。

圖片17.png圖片18.png

圖片19.png

圖9 泰安石英復合材料有限公司制造的聚丙烯自增強復合材料(All-PP)制品細節

   泰安石英復合材料有限公司開發的聚丙烯自增強復合材料及其成型技術獲得2019年中國復合材料學會科技成果,圖10。自主生產制造的聚丙烯自增強復合材料行李箱產品,通過號稱世界上最結實的行李箱的國際知名品牌TUMI最嚴格的負重滾筒測試?;諳鐘械募際躉∩?,正在開發更多更廣的應用領域,例如單兵裝備,體育器材,運動防護等方面。

圖片20.png

圖10 泰安石英復合材料有限公司榮獲2019年中國復合材料學會成果證書

以PP為基體的自增強型熱塑性塑料兼具有通用商品化聚合物和纖維增強型復合材料的優點,同時又克服了它們各自的缺陷。另外,這種新材料具有極好的抗沖擊性能,尤其是在低溫條件下。以其優秀的綜合平衡性能,將開辟全新的應用領域,解決目前面臨的各種問題,其優勢和應用價值已在眾多應用領域得到證實。隨著環境?;ひ饈兜奶嶸?、綠色環保材料的大力提倡、資源短缺的加劇,單聚合物復合材料在熔融可回收方面有著極大的優勢和發展前景,對這種新一代的熱塑性塑料將廣泛供應市場,造福人類社會。

東華大學潘利劍副教授供稿(原創 )

分享到:
換一個