JM Onthult Neomera: Nieuwe Reactief Gepolymeriseerde Organosheet Lijn Verhoogt Marktkansen

Deze herfst plannen Johns Manville (JM, Denver, Colorado, VS) de eerste producten in zijn Neomera lijn te introduceren. Initiële aanbiedingen zullen in situ-gepolymeriseerde, geweven glasvezel-versterkte polyamide 6 (PA6) organosheet zijn, maar de lijn zal spoedig uitgebreid worden om non-crimp fabrics (NCFs) en lange gehakte vezels te omvatten. JM zegt ook dat additionele reactief gepolymeriseerde thermoplastische matrices geëvalueerd worden, alsook hybride versterkingsstructuren (bijv. combineren van koolstof- en glasvezels) of zelfs non-glas versterkingen. Het bedrijf merkt op dat, vanwege de andere methode die gebruikt wordt om deze materialen te produceren versus conventionele organosheet en lange-vezel thermoplastische composieten, de Neomera producten hogere mechanische eigenschappen zullen bieden tegen lagere kosten. Hier is wat we momenteel weten over deze materialen.

Een nieuwe methode voor het produceren van organosheet

Conventionele organosheet – typisch een gespecialiseerde vorm van glasmat thermoplastisch composiet (GMT) versterkt met geweven stof – wordt geproduceerd met ofwel een polypropyleen (PP) of polyamide 6 of 6/6 (PA6, PA6/6) matrix. Organosheet composieten worden meestal gebruikt in semi-structurele en structurele componenten in de auto, vrachtwagentransport, bouw en sportartikelen industrieën.

Verschillende aspecten maken JM's Neomera lijn anders dan wat al op de markt beschikbaar is. Ten eerste, in plaats vezels te impregneren met volledig gepolymeriseerde PA6 hars, polymeriseert het bedrijf anionisch caprolactam monomeer in PA6 na de impregnatiestap. Omdat gesmolten caprolactam een zeer lage viscositeit heeft (~5 centipoise), benat het rovings of stof veel effectiever dan volledig gepolymeriseerde thermoplasten, die veel langere polymere ketens en veel hogere viscositeit hebben. Dat betekent dat JM's reactief gepolymeriseerde harsysteem veel betere benatting bereikt – meer als vloeibare thermoharsen – dan mogelijk is met volledig gepolymeriseerde thermoplasten zoals PA6. Op zijn beurt vermindert dit de gaten aanzienlijk en biedt de mogelijkheid om hogere vezelvolumefracties (FVFs) te creëren – in de orde van 50% of hoger – wat, op zich, de mechanische eigenschappen verbetert.

Ten tweede, JM behandelt ook de glasvezels – of gehakt, geweven of NCFs – met zijn eigen proprietaire reactieve glasafbinding vóór het impregneren met caprolactam. Dit versterkt wederom de vezel-hars binding en resulteert in hogere mechanische eigenschappen bij vergelijkbare FVFs versus andere organosheet producten met hetzelfde type en percentage vezellading en matrix.

De innovatieve lange-vezel organosheet biedt willekeurige vezelverdeling, complete vezelbenatting en uitstekende vezel-hars binding, zoals getoond in de afbeeldingen hierboven. Links worden glasvezelbundels getoond op het eind, en rechts toont dat individuele vezelbundels, van boven naar beneden, volledig bedekt zijn met hars.

"Het waar we willen dat mensen begrijpen is dat we geen ander me-too organosheet product introduceren," legt Mingfu Zhang, JM senior research manager - corporate R&D, uit. "Omdat we beginnen met caprolactam, kunnen we vezels veel makkelijker benatten versus diegenen die thermoplastische polymeren gebruiken. Als resultaat bereiken we betere impregnatie, hogere vezelvolumefracties en betere prestaties. Feitelijk stelt dit ons in staat om specialiteitsproducten te creëren die niet eens haalbaar zijn in conventionele organosheet."

Vorig jaar kondigde JM aan dat het de technologie had ontwikkeld en het strategisch bemonsterde. Het plan is een zachte lancering van Neomera in september en daarna een harde lancering de volgende maand op de 2021 Composites & Advanced Materials Expo (CAMX, 18-21 okt, Dallas, Texas, VS).

Gefaseerde uitrol

Het initiële Neomera product – de OS-6 Serie – zal versterkt zijn met geweven stoffen. "We plannen onze productlijn te lanceren door een koperweef architectuur aan te bieden in FVFs variërend van 45 tot 50%, aangezien we veel vraag zien voor die typen composieten," merkt Dana Miloaga, JM productleider - composieten, corporate R&D, op. "Omdat het een gebalanceerd weefsel is en goede drapabiliteit en orthotrope eigenschappen biedt, is het makkelijker voor ingenieurs die gewend zijn metalen te specificeren om mee te werken om lichtere, hoger presterende onderdelen te bereiken."

Geweven vormen van de nieuwe organosheet familie zullen gevolgd worden door de NCF-6 Serie met zwaardere NCFs, die traditioneel uitdagend zijn om te impregneren met conventionele thermoplasten. Ten slotte is een discontinue maar nog langere vezel (>25 millimeter) versie gepland. De CR-6 Serie genoemd en gezegd te bezitten consistente vezellengtes die helpen pseudo-isotrope eigenschappen te behouden, zal deze productlijn concurreren met lange-vezel thermoplastische technologieën zoals GMT en direct-lange-vezel thermoplastische (D-LFT). JM rapporteert dat gieters elk Neomera product alleen of in combinatie met andere typen kunnen gebruiken. Bijvoorbeeld, een compressie-vormbare hybride structuur bestaande uit een strook of vel geweven of NCF organosheet kan gebruikt worden om belastingspaden te versterken, terwijl discontinue vezel-versterkte organosheet gebruikt kan worden op locaties waar meer complexe geometrie zoals ribben of bossen gepositioneerd zijn. "In tests hebben onze CR-6 producten met discontinue vezel getoond betere vormbaarheid te bieden dan traditionele gehakte-vezel GMT," voegt Zhang toe.

Wat gieters of vormmakers betreft, zullen JM's nieuwe producten verwerken als conventionele organosheet of GMT. Vormconstructievereisten zijn ook vergelijkbaar. De enige aanpassing die nodig is, is om de Neomera organosheet met PA6 matrix op hogere temperatuur te verwarmen en te vormgeven dan typisch voor PP vanwege de lagere smelt- en vormgiet temperaturen van de laatste. Interessant genoeg, in tegenstelling tot sommige GMT producten, is er geen opzwellen van glasvezels na voorverwarmen door terugveer, dus het materiaal blijft volledig geconsolideerd. Dit wordt mogelijk gemaakt, zegt Zhang, doordat de vezels volledig geïmpregneerd zijn met caprolactam en – aangezien de monomeer dan in situ gepolymeriseerd wordt – ze een veel hoger molecuulgewicht bereiken dan conventionele organosheet met PA matrices.

JM onderzoekers hebben ook basismateriaalkarakterisatie uitgevoerd om ontwerpingenieurs te helpen de onderdeelprestaties nauwkeuriger te simuleren. "We hebben nauw samengewerkt met klanten om de belangrijkste data te identificeren die ze initieel nodig hebben om gedetailleerdere simulatie te doen," legt Miloaga uit. "We plannen bouwblokken te genereren die ze vroeg in het proces kunnen gebruiken, aangezien het meestal zes maanden duurt om de karakterisatie te doen die nodig is om een volledige materiaalkaart te ontwikkelen."

Voor elke productlijn die geïntroduceerd wordt, zegt het bedrijf dat het twee wereldwijde leveranciers kwalificeert om een robuuste toeleveringsketen en wereldwijde toegang en consistentie te garanderen. JM's productieschaal lijn in de Denver regio heeft bemonsteringshoeveelheden van de materialen voor klanten geproduceerd, maar initiële commerciële productie zal plaatsvinden in Trnava, Slowakije.

Neomera producten worden aangeboden in zwart, met de optie van "natuurlijk" (afwit) en de mogelijkheid van aangepaste kleuren. Initieel, naarmate de commerciële productie op schaal gaat, zal product op bestelling gemaakt en gesneden worden, hoewel langer termijn het plan is om standaardformaten op voorraad te hebben.

Een interessant aspect van JM's proces is dat het dikke vellen in een continu proces kan produceren. "Een van de uitdagingen met bestaande organosheet is dat het typisch geproduceerd wordt in half-millimeter dikke vellen, dus om een klant te voorzien van een 3-millimeter dik product, moeten ze na-consolideren meerdere vellen om een laminaat te maken," legt Zhang uit. "We kunnen die hele na-consolidatiestap overslaan omdat we een 3-millimeter dik vel direct kunnen maken. Feitelijk is dat een van de meest unieke aspecten van onze technologie. We wisten dat caprolactam water-achtige viscositeit had, maar we waren nog 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. Daarnaast, door de na-consolidatiestap over te slaan, vermijden onze producten nog een verwarmingscyclus."

Wat uitdagend was, was het controleren van het productieproces om de vochtgevoelige anionische polymerisatie van caprolactam aan te kunnen. "Voordat we aan dit project begonnen, was anionische polymerisatie van caprolactam in PA6 eigenlijk alleen in gesloten vormen gedaan, dus het aanpassen daarvan aan een continu proces om een heel consistent product te produceren kostte veel werk," voegt Zhang toe.

Wat is er volgende?

Toen gevraagd waarom een glasleverancier als JM intermediaire producten zou willen fabriceren in plaats van alleen de technologie te licentiëren, zegt Klaus Gleich, JM senior research scientist - corporate R&D: "Gegeven de aard van ons productieproces, zijn er niet veel mensen die het materiaal zouden kunnen maken. We kennen de chemie heel goed en kennen de uitdagingen, dus we zijn het best gepositioneerd om het op te schalen en te commercialiseren. Daarnaast heeft onze R&D groep specifiek deze innovatieve technologie ontwikkeld om ons bedrijf uit te breiden en meer waarde terug te geven aan onze eigenaren bij Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., VS]. We willen innovatoren zijn en nieuwe marktkansen creëren."

"We zien de trend van thermoplastische composieten die bewegen naar semi-structurele en echte structurele toepassingen om lichte en duurzame componenten te maken als zeer in lijn met onze nieuwe organosheet technologie," voegt Miloaga toe. Feitelijk zegt ze dat de eerste commerciële toepassingen met de Neomera familie niet ver af zijn. JM heeft materialen getest in motorsport, en er is ook belangstelling in andere transportsegmenten zoals auto en vrachtwagens plus sportartikelen. "De sleutel is dat we problemen oplossen," voegt ze toe. "De concurrentie is duur en heeft een beperkt portfolio. We kunnen producten produceren die hoger presteren en toch meer kosteneffectief zijn – een win-win combinatie."