Korte koolstofvezelverbindingen vergroten het bereik van thermoplastische composieten

Een familie van korte koolstofvezelversterkte thermoplastische (CFRTP) verbindingen die speciaal zijn ontwikkeld voor spuitgieten, wordt gebruikt om de mogelijkheden van thermoplastische composieten in een verscheidenheid aan onderdeelgroottes en complexiteiten uit te breiden. Interessant is dat is aangetoond dat deze materialen beter presteren dan langvezelige thermoplastische (LFT) composieten (in glasvezel of koolstofvezel) en metalen in een groeiend aantal toepassingen - van sportartikelen en auto-onderdelen tot medische apparaten en ruimtevaartcomponenten.

Molder werd compounder

De materialen zijn geformuleerd en verkocht door Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc. (MCAM, Tokyo, Japan). MCAM combineert verschillende voorheen afzonderlijke bedrijven die de afgelopen tien jaar door het moederbedrijf zijn overgenomen. Deze omvatten het voormalige Quadrant AG (Lenzburg, Zwitserland), een producent van glasmat thermoplast (GMT) en organosheetcomposieten, evenals thermoplastische technische vormen, en wat Piper Plastics Inc. was geweest (Chandler, Ariz., VS), dat begon leven als een spuitgieter en producent van met precisie bewerkte onderdelen, en later uitgebreid tot op maat gemaakte CFRTP-compounds - eerst voor eigen gebruik en later voor andere vormers.

Omstreeks 2012 was Piper een middelgrote, op maat gemaakte spuitgieter die een klantenbestand bedreef in de ruimtevaart en sportartikelen/recreatieve uitrusting. De leiding van het bedrijf wilde zijn onderdelenproductie laten groeien, maar had twee uitdagingen. Ten eerste had het problemen met het vinden van de soorten verbindingen waarvan het team dacht dat ze het bedrijf in staat zouden stellen om te concurreren in marktsegmenten met betere prestaties. Ten tweede wilde het bedrijf de automarkt betreden, maar beschikte het niet over voldoende vormcapaciteit om te concurreren in grote programma's.

Het eerste probleem werd opgelost door een gerichte R&D-inspanning toe te passen op verschillende basisharsen en vezelafmetingstechnologieën, wat leidde tot de ontwikkeling van een familie van hoogwaardige, spuitgietbare CFRTP-verbindingen genaamd KyronMAX. Deze materialen bevatten matrices zoals polyamide 6/6 (PA6/6), polyftalamide (PPA), polyetherimide (PEI), polyfenyleensulfide (PPS), polyetheretherketon (PEEK) en polyaryletherketon (PAEK) versterkt met kort gehakte koolstofvezel. De verbindingen — waarvan de meeste hoge thermische prestaties, brede chemische weerstand, goede mechanische eigenschappen en lage vlam/rook/toxiciteit (FST) waarden bieden — werden niet alleen geformuleerd om korte glasvezelversterkte en met mineraal gevulde spuitgietsoorten te vervangen, maar ook LFT-verbindingen (met een gemiddelde startvezellengte van 13 millimeter) en zelfs metalen.

"Op een datasheet zien LFT-compounds er sterker uit, maar vaak zijn ze niet in staat om het soort onderdeelgeometrie te vullen dat we kunnen vullen met korte koolstofvezeltechnologie", legt Alex Wojtysiak, MCAM key accounts manager - composieten uit. "Omdat onze flow zoveel hoger is, zijn we beter in staat om ingewikkelde geometrie te vullen, dus onze verbindingen produceren onderdelen die dramatisch sterker zijn."

"Het gaat er niet zozeer om dat we een breed scala aan CFRTP-verbindingen wilden maken, maar dat ze allemaal werden ontwikkeld om aan de specifieke behoeften van een bepaalde klant te voldoen", voegt Clint Newell, MCAM Global Composites Technology Manager, toe. "Naarmate onze formuleringsmogelijkheden groeiden, betreden we nieuwe markten, ontmoetten we nieuwe klanten, vroegen we wat ze nodig hadden en begonnen we een perfecte samenstelling te creëren om aan die behoeften te voldoen."

Niet verwonderlijk, omdat deze verbindingen aanvankelijk werden geformuleerd door een maler voor een vormmachine, werden ze ontworpen om eigenschappen te bieden waardoor ze gemakkelijk te verwerken waren en om consistent betere, beter presterende onderdelen te produceren. "We hebben onze KyronMAX-productlijn geformuleerd om een ​​hogere stroom- en vezelinteractie, lagere interne spanningen, minder anisotropie, sterkere laslijnen, minder verzakkingen, minder neiging tot kromtrekken en grotere maatnauwkeurigheid te bieden - ongeacht of de wandsecties dik of dun waren", merkt Dave Wilkinson, MCAM R&D-directeur op. "Naast ons formuleringswerk en unieke maattechnologie hebben we ook onze eigen persaanpassingen aangebracht om deze materialen efficiënter te laten werken."

Waarom de ongebruikelijke productnaam? "In oude Griekse mythen was Kyron (ook gespeld als Chiron) deels centaur en deels mens", legt Randy White, Chief Innovation Officer van MCAM, uit. “Kyron gebruikte zijn unieke persoonlijke vaardigheden om boven zijn beestachtige aard uit te stijgen. We vergeleken dat met onze verbindingen, die half koolstofvezel en half hars zijn, zo sterk als een paard en zo slim als een mens vanwege het gemak van verwerking."

Naarmate de expertise op het gebied van formulering groeide, kwam het bedrijf onder de aandacht van Mitsubishi Chemical Holdings Group (MCHC, Tokyo, Japan), die Piper in 2016 overnam. MCHC deed onmiddellijk een substantiële investering van meerdere miljoenen dollars om de omvang van de bereidingslijn in Arizona te vergroten , activiteiten automatiseren en haar eigen technologieën voor het dimensioneren en hakken van koolstofvezels inzetten, zodat KyronMAX-compounds sneller en met grotere consistentie en efficiëntie kunnen worden geproduceerd. Vervolgens werd een tweede bereidingslijn opgezet in Michigan en een derde in Japan. Deze uitgebreide capaciteit betekende dat KyronMAX-kwaliteiten konden concurreren voor de automobielindustrie in Noord-Amerika en Azië. Andere markten zijn gevolgd.

Uitgebreid productaanbod, nieuwe marktkansen

Nu, met een grotere productiecapaciteit en toegang tot een breder scala aan polymeer- en koolstofvezelmaterialen, is het MCAM-team druk bezig geweest met het ontwikkelen van een reeks nieuwe producten - waarvan een aantal specifiek zijn ontwikkeld voor de automarkt. Een van de meest interessante is KyronMAX ES 4240, naar verluidt 's werelds eerste korte koolstofvezel spuitgietmassa die de treksterktebarrière van 414 MPa (60.000 psi) doorbreekt. Die kwaliteit, die werd geïntroduceerd op de 2019 SPE Automotive Engineered Plastics Conference (AutoEPCON) in de buitenwijken van Detroit, is een 40% vezelgewichtfractie (FWF) koolstofvezelversterkte PPA die ook trekmoduluswaarden biedt van 41,2 GPa, buigmoduluswaarden van 34,5 GPa en buigsterktewaarden van 552 MPa. PPA is een gespecialiseerde vorm van polyamide met een betere thermische en bredere chemische weerstand en een veel lagere neiging tot hydrolyse dan conventionele PA6 en PA6/6.

Andere autokwaliteiten die op de SPE AutoEPCON 2019 werden geïntroduceerd, zijn onder meer een met koolstofvezel versterkte PPA-kwaliteit voor hoge temperaturen die speciaal is ontwikkeld voor toepassingen onder de motorkap. Er wordt gezegd dat die kwaliteit een glasovergangstemperatuur heeft (T_g ) en temperatuur voor continu gebruik (CUT) vergelijkbaar met die van PEEK, maar is gemakkelijker te vormen. Gezien de kostengevoeligheid van grootschalige industrieën zoals de auto-industrie en kleine apparaten, is het geen verrassing om te horen dat het team ook werkt aan een op polypropyleen (PP) gebaseerd KyronMAX-product.

Naarmate de productlijn is uitgebreid, zijn ook de markten waarin deze materialen worden gebruikt, uitgebreid. Naast de langverwachte auto-industrie, bedient het bedrijf nu medische apparatuur (zowel duurzaam als wegwerp), kleine apparaten en consumentenelektronica (vervangende metalen behuizingen/covers). Luchtvaart/ruimtevaart is nog steeds belangrijk, evenals de sportartikelenindustrie, die is uitgegroeid tot toepassingen op racefietsen, mountainbikes, golfclubs, vuurwapens, compoundbogen en andere onderdelen van boogschieten. Met verschillende producten die CLTE-waarden (lineaire thermische uitzettingscoëfficiënt) bieden die vergelijkbaar zijn met die van metaalspuitgegoten (MIM) aluminium en magnesium - zij het met een betere taaiheid, lichter gewicht en lagere kosten - merkt het team dat het metalen vervangt in een toenemend aantal toepassingen .

Wat is het volgende? Met toegang tot de bredere Mitsubishi-organisatie wereldwijd, heeft het MCAM-team toegang tot technologie die een breder composietportfolio vertegenwoordigt dat zowel thermoplastische als thermohardende chemicaliën omvat, met een reeks wapeningstypen en -lengtes. Een andere Mitsubishi-groep produceert bijvoorbeeld gespleten en gehakte koolstofvezelversterkte gesmede vormmassa (FMC), een geavanceerde vorm van sheet molding compound (SMC) die de prestatie- en verwerkingskloof tussen korte glas- of koolstofvezelversterkte SMC en continue koolstofvezelversterkte prepreg helpt te overbruggen. Weer een andere groep produceert geweven en niet-geweven met koolstofvezel versterkte prepreg en snel uithardende prepreg compressievorm (PCM) materialen.

Binnen MCAM zelf is een andere technologie die de commercialisering nadert, een nieuwe familie van textiel (niet-geweven, geweven en unidirectionele) versterkte droge prepregs met thermoplastische matrices genaamd KyronTEX. Deze producten worden momenteel strategisch getest.

Ten slotte heeft MCAM afgelopen zomer carbonNXT GmbH en zusterbedrijf CFK Valley State Recycling GmbH en Co. KG (beide Wischhafen, Duitsland) overgenomen, waardoor een complete lijn van koolstofvezelrecyclingtechnologie in het productaanbod van de groep wordt opgenomen. Het MCAM-team zou meerdere formules testen met behulp van gerecyclede koolstofvezel voorafgaand aan het kwalificeren van commerciële producten.