Reactief gepolymeriseerde hars vergroot markt voor organoplaten, kansen

Dit najaar is Johns Manville (JM, Denver, Colo., V.S.) van plan om de eerste producten in zijn Neomera-lijn te introduceren. Initiële aanbiedingen zullen in situ zijn -gepolymeriseerd, geweven met glasvezel versterkt polyamide 6 (PA6) organoblad, maar de lijn zal binnenkort worden uitgebreid met non-crimp weefsels (NCF's) en lang gehakte vezels. JM zegt ook dat aanvullende reactief gepolymeriseerde thermoplastische matrices worden geëvalueerd, evenals hybride versterkingsstructuren (bijvoorbeeld een combinatie van koolstof- en glasvezels) of zelfs niet-glasversterkingen. Het bedrijf merkt op dat door de verschillende methode die wordt gebruikt om deze materialen te vervaardigen in vergelijking met conventionele organosheet en thermoplastische composieten met lange vezels, de Neomera-producten hogere mechanische eigenschappen zullen bieden tegen lagere kosten. Dit is wat we momenteel weten over deze materialen.

Een nieuwe methode om organoblad te produceren

Conventionele organosheet - typisch een gespecialiseerde vorm van glasmat thermoplastisch composiet (GMT) versterkt met geweven stof - wordt geproduceerd met een polypropyleen (PP) of polyamide 6 of 6/6 (PA6, PA6/6) matrix. Organoplaatcomposieten worden het vaakst gebruikt in semi-structurele en structurele componenten in de automobiel-, commerciële vrachtwagen-, bouw- en sportartikelenindustrie.

Verschillende aspecten maken de Neomera-lijn van JM anders dan wat er al op de markt verkrijgbaar is. Ten eerste polymeriseert het bedrijf, in plaats van het smelten van impregneervezels met volledig gepolymeriseerde PA6-hars, anionisch caprolactammonomeer tot PA6 na de impregneringsstap. Omdat gesmolten caprolactam een ​​zeer lage viscositeit heeft (~5 centipoise), bevochtigt het rovings of weefsel veel effectiever dan volledig gepolymeriseerde thermoplasten, die veel langere polymeerketens en een veel hogere viscositeit hebben. Dat betekent dat het reactief gepolymeriseerde harssysteem van JM een veel betere bevochtiging bereikt - meer zoals vloeibare thermoharders - dan mogelijk is met volledig gepolymeriseerde thermoplasten zoals PA6. Dit vermindert op zijn beurt de holtes aanzienlijk en biedt de mogelijkheid om hogere vezelvolumefracties (FVF's) te creëren - in de orde van 50% of hoger - wat op zichzelf de mechanische eigenschappen verbetert.

Ten tweede behandelt JM ook de glasvezels - of ze nu gehakt, geweven of NCF's zijn - met zijn eigen gepatenteerde reactieve glaslijm voordat ze met caprolactam worden geïmpregneerd. Dit versterkt nogmaals de vezel-harsbinding en resulteert in hogere mechanische eigenschappen bij vergelijkbare FVF's vergeleken met andere organobladproducten met hetzelfde type en percentage vezelbelading en matrix.

De innovatieve langvezelige organoplaat biedt willekeurige vezelverdeling, volledige vezelverzadiging en uitstekende vezel-harsbinding, zoals te zien is in de bovenstaande afbeeldingen. Aan de linkerkant worden glasvezelbundels aan het uiteinde weergegeven en aan de rechterkant is te zien dat individuele vezelbundels, van boven naar beneden, volledig zijn bedekt met hars.

"Wat we willen dat mensen begrijpen, is dat we niet nog een me-too introduceren organosheet-product”, legt Mingfu Zhang uit, JM senior research manager - corporate R&D. “Omdat we beginnen met caprolactam, kunnen we vezels veel gemakkelijker bevochtigen dan die met thermoplastische polymeren. Hierdoor bereiken we een betere impregnering, hogere vezelvolumefracties en betere prestaties. Dit stelt ons in staat om speciale producten te maken die zelfs niet haalbaar zijn in conventionele organoplaten.”

Vorig jaar kondigde JM aan dat het de technologie had ontwikkeld en er strategisch mee bezig was. Het plan is om Neomera in september zacht te lanceren en de volgende maand hard te lanceren op de Composites &Advanced Materials Expo 2021 (CAMX, 18-21 oktober, Dallas, Texas, VS).

Gefaseerde uitrol

Het oorspronkelijke Neomera-product - de OS-6-serie - zal worden versterkt met geweven stoffen. "We zijn van plan onze productlijn te lanceren door een twill-weave-architectuur aan te bieden in FVF's variërend van 45 tot 50%, aangezien we veel vraag naar die soorten composiet zien", merkt Dana Miloaga op, JM-productleider - composieten, corporate R&D . "Omdat het een uitgebalanceerd weefsel is en goede drapeerbaarheid en orthotrope eigenschappen biedt, is het gemakkelijker voor ingenieurs die gewend zijn metalen te specificeren om mee te werken om lichtere, beter presterende onderdelen te verkrijgen."

Geweven vormen van de nieuwe organosheet-familie zullen worden gevolgd door de NCF-6-serie met zwaardere NCF's, die van oudsher moeilijk te impregneren zijn met conventionele thermoplasten. Ten slotte is er een discontinue maar nog langere vezelversie (>25 millimeter) gepland. Deze productlijn, die de CR-6-serie wordt genoemd en naar verluidt consistente vezellengtes bezit die helpen om pseudo-isotrope eigenschappen te behouden, zal concurreren met thermoplastische technologieën met lange vezels zoals GMT en direct-long-fibre thermoplast (D-LFT). JM meldt dat vormers elk Neomera-product alleen of in combinatie met andere typen kunnen gebruiken. Een compressievormbare hybride structuur bestaande uit een strook of vel geweven of NCF-organovel zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om belastingspaden te versterken, terwijl discontinue vezelversterkte organovel zou kunnen worden gebruikt op locaties waar complexere geometrie zoals ribben of nokken zijn gepositioneerd. "Tijdens tests is aangetoond dat onze CR-6-producten met discontinue vezels een betere vormbaarheid bieden dan traditionele GMT met gehakte vezels", voegt Zhang toe.

Wat betreft vormers of matrijzenmakers, zullen de nieuwe producten van JM worden verwerkt zoals conventioneel organoblad of GMT. De vereisten voor matrijsconstructie zijn ook vergelijkbaar. De enige aanpassing die nodig is, is het voorverwarmen en vormen van de Neomera-organosheet met PA6-matrix bij een hogere temperatuur dan typisch is voor PP vanwege de lagere smelt- en vormtemperaturen van de laatste. Interessant is dat, in tegenstelling tot sommige GMT-producten, er geen lofting van glasvezels is na voorverwarmen als gevolg van terugvering, zodat het materiaal volledig geconsolideerd blijft. Dit wordt mogelijk gemaakt, zegt Zhang, door het feit dat de vezels volledig zijn geïmpregneerd met caprolactam en dat - aangezien het monomeer vervolgens in situ wordt gepolymeriseerd — ze bereiken een veel hoger molecuulgewicht dan conventionele organoplaten met PA-matrices.

JM-onderzoekers hebben ook basismateriaalkarakterisering uitgevoerd om ontwerpingenieurs te helpen de prestaties van onderdelen nauwkeuriger te simuleren. "We hebben nauw samengewerkt met klanten om de belangrijkste gegevens te identificeren die ze in eerste instantie nodig hebben om gedetailleerder simulatiewerk uit te voeren", legt Miloaga uit. "We zijn van plan bouwstenen te genereren die ze in een vroeg stadium kunnen gebruiken, aangezien het meestal zes maanden duurt om de karakterisering uit te voeren die nodig is om een ​​volledige materiaalkaart te ontwikkelen."

Voor elke productlijn die wordt geïntroduceerd, zegt het bedrijf dat het twee wereldwijde leveranciers kwalificeert om een ​​robuuste toeleveringsketen en wereldwijde toegang en consistentie te garanderen. De productielijn van JM in het gebied van Denver heeft monsterhoeveelheden van de materialen voor klanten geproduceerd, maar de eerste commerciële productie zal plaatsvinden in Trnava, Slowakije.

Neomera-producten worden aangeboden in het zwart, met de optie "natuurlijk" (gebroken wit) en de mogelijkheid van aangepaste kleuren. In eerste instantie, naarmate de commerciële productie toeneemt, wordt het product op bestelling gemaakt en op maat gesneden, hoewel het plan op langere termijn is om standaardmaten op voorraad te houden.

Een interessant aspect van het proces van JM is dat het in een continu proces dikke platen kan produceren. "Een van de uitdagingen met bestaande organoplaten is dat deze doorgaans worden geproduceerd in vellen van een halve millimeter dik, dus om een ​​klant een product van 3 millimeter dik te kunnen leveren, moeten ze meerdere vellen achteraf consolideren om een ​​laminaat te maken. ’ legt Zhang uit. “We kunnen die hele stap na de consolidatie overslaan, omdat we direct een plaat van 3 millimeter dik kunnen maken. Dat is zelfs een van de meest unieke aspecten van onze technologie. We wisten dat caprolactam een ​​waterachtige viscositeit had, maar we waren nog steeds verrast door hoe goed onze technologie geschikt is voor het produceren van dikke laminaten. Dit geeft ons veel flexibiliteit in wat we klanten kunnen bieden. Bovendien vermijden onze producten door de post-consolidatiestap over te slaan een nieuwe verwarmingscyclus.”

Wat een uitdaging was, was het beheersen van het productieproces om de vochtgevoelige anionische polymerisatie van caprolactam aan te kunnen. "Voordat we aan dit project begonnen te werken, was anionische polymerisatie van caprolactam tot PA6 eigenlijk alleen gedaan in gesloten mallen, dus het kostte veel werk om dat aan te passen aan een continu proces om een ​​zeer consistent product te produceren", voegt Zhang toe.

Wat nu?

Op de vraag waarom een ​​glasleverancier als JM tussenproducten zou willen produceren in plaats van alleen de technologie in licentie te geven, zegt Klaus Gleich, senior research scientist bij JM - corporate R&D:"Gezien de aard van ons productieproces, zijn er echt niet veel mensen die het materiaal zouden kunnen maken. We kennen de chemie heel goed en kennen de uitdagingen ervan, dus we zijn het best gepositioneerd om het op te schalen en te commercialiseren. Daarnaast heeft onze R&D-groep deze innovatieve technologie specifiek ontwikkeld om ons bedrijf uit te breiden en meer waarde terug te geven aan onze eigenaren in Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., V.S.]. We willen vernieuwers zijn en nieuwe marktkansen creëren.”

"We zien de trend van thermoplastische composieten evolueren naar semi-structurele en echte structurele toepassingen om lichtgewicht en duurzame componenten te maken als zeer in lijn met onze nieuwe organosheet-technologie", voegt Miloaga toe. Ze zegt zelfs dat de eerste commerciële toepassingen die de Neomera-familie gebruiken, niet ver weg zijn. JM heeft materialen uitgeprobeerd in de motorsport en er is ook interesse in andere transportsegmenten zoals auto's en commerciële vrachtwagens en sportartikelen. "Het belangrijkste is dat we problemen oplossen", voegt ze eraan toe. “De concurrentie is prijzig en heeft een beperkt portfolio. We kunnen producten produceren die beter presteren en toch kosteneffectiever zijn — een win-wincombinatie.”