Hoogpresterende thermoplastische tapes versterkt met textiel-gebaseerde PAN koolstofvezel

Een langdurige uitdaging in de geavanceerde composietenindustrie is manieren te vinden om lagere-kosten koolstofvezel te produceren zodat alle industrieën die deze waardevolle en effectieve composietversterking willen gebruiken, dat kunnen. Koolstofvezelkosten zijn aanzienlijk gedaald dankzij decennialang werk om de productiviteit te verbeteren via precursorchemie, machine-innovatie, procesverbeteringen en meer.

Alternatieve precursors

Eén van de meest veelbelovende van deze precursors, en de dichtst bij commercialisatie, is textiel-gebaseerde PAN, wat vergelijkbaar is met het vezel gebruikt om acryl truien te produceren. Als andere alternatieve precursors die ORNL heeft onderzocht, is textiel-gebaseerde PAN koolstofvezel (TCF) anders van specialiteit luchtvaart PAN koolstofvezel op verschillende manieren.

Een van de verschillen is dat textiel-gebaseerde PAN precursor, omdat het bedoeld is voor gebruik in de textielindustrie (denk aan gordijnen, kleding, meubelstoffen), geleverd wordt in een wide-tow formaat dat inherent minder kostbaar is dan gespecialiseerde luchtvaartgraad PAN precursor. Tijdens koolstofvezelproductie heeft dit het effect dat de doorvoersnelheid toeneemt en de conversiekosten dalen vergeleken met conventioneel PAN vezel. Het produceert ook veel grotere tow vezel – in de orde van 300K tot 450K op de lijn bij ORNL's Carbon Fiber Technology Facility versus 3K tot 50K typisch voor conventionele PAN koolstofvezel. Bovendien, hoewel het langer duurt om TCF precursor te verwerken, aangezien het geen reactieversnellers bevat als conventionele PAN en typisch bij lagere temperaturen draait (een functie van de behoefte om verblijftijd en temperatuur te balanceren), helpt het feit dat zoveel meer vezel op een gegeven moment verwerkt kan worden en dat energiegebruik lager is op gewichts- of volumebasis, de kosten te verlagen. Feitelijk schat ORNL dat ~60% totale energiebesparing voor vezelconversie en ~50% kostenbesparing mogelijk zijn.

Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om minder kostbare vezel in ongewone grote hoeveelheden te produceren, en om het te gebruiken om producten met een kleinere koolstofvoetafdruk te maken. In industrieën zoals automotive/grondtransport, consumentenelektronica, sportartikelen, bouw/constructie en windenergie, is TCF een aantrekkelijke versterking aangezien toepassingen doorgaans stijfheidsgedreven zijn, vergeleken met sterktedreven toepassingen in de luchtvaart. Opvallend is dat non-luchtvaartindustrieën potentieel veel vezel kunnen consumeren.

Echter, TCF is nog steeds een ander product dan conventionele PAN koolstofvezel, dus werk is nodig niet alleen om deze vezel beter te karakteriseren, maar ook om manieren te vinden om het te converteren en te gebruiken. Omdat het in een ultrawide tow band verwerkt kan worden, vereist deze precursor wijzigingen in procesapparatuur helemaal door het vezelproductieproces heen. Het verandert ook post-productie oppervlaktemodificatie en verpakking, en het zal, natuurlijk, conversieprocessen beïnvloeden variërend van het maken van tapes en weefsels tot prepregs en preforms.

Naar aanleiding van alle manieren waarop TCF het koolstofvezel kosten/beschikbaarheidsprobleem kan oplossen aan de ene kant, maar ook nieuwe problemen creëert in hoe dit materiaal te hanteren, converteren en verpakken aan de andere kant, heeft het Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tennessee, VS) gewerkt aan een aantal door leden ondersteunde onderzoeksprojecten de afgelopen drie jaar om deze kwesties aan te pakken. Een interessant project heeft gekeken naar manieren om de ultrawide tow band TCF om te zetten in thermoplastische composiet tapes.

Kosten verlagen

Interesse in thermoplastische composiet tapes is gegroeid in veel industrieën, maar deze producten neigen duur te zijn, aangezien gespecialiseerde apparatuur en know-how vereist zijn om succesvol elk vezel te impregneren met voor-gepolymereerde, hoog-moleculair gewicht en hoge-viscositeit thermoplastische harsen versus hun ongereageerde, lage-viscositeit thermoharde tegenhangers. Het is al te gemakkelijk om tapes met veel gaten en slechte vezelbenatting te produceren, wat eindigt in eindonderdelen die niet alleen er slecht uitzien, maar het risico lopen op voortijdige falen.

Dr. Uday Vaidya, professor en governor's chair voor Advanced Composites Manufacturing, University of Tennessee-Knoxville (UTK, Knoxville, Tennessee, VS) en IACMI chief technology officer (CTO), heeft samen gewerkt aan thermoplastische composietprogramma's sinds de vroege 2000's met George Husman, president van Husman Consulting Inc. (Cape Coral, Florida, VS) en pensioengerechtigde directeur en CTO van Zoltek Co. Inc. (St. Louis, Missouri, VS). Hun vele interacties leidden tot het idee van inline imprègnering van conventionele zware-tow koolstofvezels (24K tot 50K) om thermoplastische composiet tapes te produceren aan het achterste einde van de vezelproductielijn. Het produceren van tapes onmiddellijk na vezelproductie zou een afzonderlijke intermediaire processtap en alle verzending en hantering die dat inhoudt elimineren. Er wordt gehoopt dat dit de kosten van zowel tapes als onderdelen gemaakt van die tapes zou helpen verlagen.

Het verwezenlijken van dit concept vereiste ontwikkeling in zowel proces als apparatuur om koolstofvezel-versterkte thermoplastische tapes in verschillende tow-groottes te maken. Vaidya en Husman dienden een voorlopig octrooi in samenwerking met de University of Tennessee Research Foundation (UTRF, Knoxville, Tennessee, VS) in 2018 in voor een proces voor inline productie van thermoplastische tapes versterkt met tot 50K tow koolstofvezel. Het volgende jaar breidden Vaidya en zijn UTK-team dit werk uit om thermoplastische imprègnering van ultrawide-band TCF (300K tot 450K tow) met een tweede aanmelding te omvatten.

TCF TP Tapes

Zoals verwacht, is er geen tekort geweest aan technische uitdagingen om aan te pakken langs de weg. Vezelvoeding en hantering vereisten significante apparatuurswijziging, aangezien TCF breder neigt te zijn en meer filamenten omvat dan conventionele koolstofvezel. Het is ook geneigd tot catenary gedrag tijdens de vezelimprègneringsstap van tapeproductie. Dat betekent dat een sinusoïdale golf ontstaat als tows in de imprègneringsdie voeden, wat tows doet onevenredig splitsen en de die onder verschillende spanningen binnengaan, leidend tot tapes die draaien, vervormen en slechte vezelbenatting bereiken.

"Een manier vinden om een balans te behouden tussen vezelspanning en flexibiliteit bleek echt uitdagend en vereiste veel werk," legt Vaidya uit. "Ons team begon te begrijpen hoe belangrijk het was om tow-integriteit te behouden om de filamenten te spreiden en een hoge graad van benatting te bereiken, wat natuurlijk cruciaal is voor het produceren van kwalitatieve tapes."

Toen was er het sizing-issue. TCF tow banden zijn zwaar gesized om vezel soepel van creel naar imprègneringsdie te laten bewegen waar het met hars benat wordt om tape te produceren. Echter, eenmaal bij de die, had eerdere onderzoek getoond dat om goede benatting te bereiken met hogere-viscositeit thermoplasten, de aanwezigheid van sizing de imprègnering eigenlijk belemmerde, wat het hoogst wenselijk maakte om de sizing te verwijderen. Trial-and-error leidde het team uiteindelijk tot de ontwikkeling van een techniek om de sizing net voor de tows de imprègneringsdie binnenkwamen af te branden.

Om harsreologie en polymervoeding door de imprègneringsdie nauwkeurig te voorspellen en goede tape te maken, waren nieuwe simulatie- en validatiewerk nodig. Het team richtte zich op het produceren van TCF tapes met polypropyleen (PP) alsook polyamide 6 (PA6) – twee thermoplasten breed gebruikt in automotive voor hun toughness en betaalbaarheid. Het team gebruikte PolyXtrue extrusiedie ontwerpsoftware van Plastic Flow LLC (Hancock, Michigan, VS), wat gebaseerd is op het Williams-Landel-Ferry (WLF) model en uitstekende correlatie bood met gemeten reologie en afschuifsnelheidsresultaten.

Die-ontwerp zelf was een ander belangrijk onderzoeksgebied, met name toen het team beweegt van standaard 12K tot 50K tows, en toen naar ultrawide-band TCF tows. Op dat stadium moest de die volledig herontworpen worden en een twee-stapsproces aangepast. Tijdens de eerste stap wordt vezel geïmpregneerd; tijdens de tweede stap worden geoptimaliseerde breukhoeken voor de spannings/imprègneringspennen – die de spanning controleren waarmee de koolstofvezel getrokken wordt, het vezelgewichtsfracion (FWF), alsook kwaliteitscontrole – ingesteld om de gewenste eigenschappen in de voltooide tapes te bereiken. Op dit moment heeft het team 30-50% FWF tapes geproduceerd in zowel PP als PA6, zelfs met de zwaardere tows.

Om tapes snel af te koelen na het verlaten van de die, werd een post-imprègnerie luchtkoelingssysteem ontwikkeld. Het team moest zelfs een methode uitwerken om voltooide tapes op te nemen op creels/spools, vanwege de breedte van de producten en de uitdagingen van downstream gebruik van die tapes.

Vaidya zegt dat het team momenteel gefocust is op elektronische integratie, wat het bouwen van een formele grafische gebruikersinterface en het ontwikkelen van een programmable-logic controller (PLC)-gebaseerd systeem omvat. Uiteindelijk is het doel van het team om een thermoplastische tape productiemodule te ontwikkelen die aan het achterste einde van een TCF of conventionele koolstofvezel productielijn toegevoegd kan worden om productie van secundaire/intermediaire thermoplastische tapes te faciliteren.

"Ons team heeft veel technische uitdagingen tegengekomen, maar we hebben ook enkele prestaties geboekt," legt Vaidya uit. "Een zo brede tow band hanteren en de vezels succesvol – en snel – impregneren om kwalitatieve thermoplastische tapes zonder gaten te bereiken is moeilijk geweest. Echter, ons team heeft een aantal procesparameters onderzocht, inclusief meerdere iteraties van die-ontwerp; polymerstroomsimulaties door de die; en diverse aspecten van vezelvoeding, spannen en pre-verhitting. Niet alleen hebben we enkele van de claims in ons octrooi bewezen, maar we hebben ook imprègnerielijnsnelheden van 12 voet/minuut [3,7 meter/minuut] bereikt tijdens het produceren van 30% FWF polypropyleen en PA6 tapes."

Volgende stappen

Vaidya zegt dat intellectuele eigendomsbeschermingen rondom deze tapetechnologie ingediend zijn bij de UT Research Foundation – één met traditionele 24K en 50K vezels en één met de wide-tow vezels. Commercialisatie, zegt hij, zal zich richten op inline imprègnering binnen een koolstofvezellijn. "Dit zal post-verwerking aanzienlijk verminderen en gemakkelijk aanpassen, wat de totale kosten van het intermediaire product verder verlaagt," zegt hij.

Hoe zouden deze tapes toegepast kunnen worden? Vaidya zegt de opties zijn talrijk: "Bijvoorbeeld, het materiaal kan gehakt worden in lange-vezelsvorm, gebruikt in pultrusie feedstock, groot-tank filament winding, overmolding (vergelijkbaar met organosheet) in compressievorming, bladmateriaal in hybride processen – bijv., met LFT [lang-vezel thermoplastisch], SMC [sheet molding compound] en andere synergistische materialen." Dit opent een reeks producttypen die zouden profiteren van stijfheidsverbeteringen, hoge-impact toughness en verbeterde verwerkbaarheid zoals vormen, trekken en buigen, recycling en reversibele chemieën.

Toepassingen, zegt hij, omvatten automotive, vrachtwagens, windturbinebladen, infrastructuur (bruggen), constructie, sportartikelen, maritieme en offshore producten. "De wide-tow koolstofvezel thermoplastische intermediaire kan nu avenues bieden om koolstofvezel te overwegen waar het te duur was eerder," concludeert Vaidya.