Industrialiseren van thermoplastisch epoxy: Innovaties en toepassingen

Cecence (Salisbury, VK) werd in 2014 opgericht door drie founders met decennialange ervaring in composieten. Directeur Mike Orange had een lange geschiedenis in koolstofvezel-versterkte polymere (CFRP) rigging en masten voor jachten. Hoofd innovatie Humphrey Bunyan was eerder hoofd innovatie bij Future Fibres (Valencia, Spanje). “Zij maakten volledig-composiet rigging voor de America's Cup en andere racingschepen, evenals CFRP teathers om de wielen aan Formula 1-auto's te bevestigen,” aldus Orange (zie “Jachtbouw composieten: Gerigged voor succes”). “We begrepen de voordelen van lichtgewicht, maar'engageerden met andere sectoren die onze ervaring niet hadden en worstelden met kosten, opschaling van productie en voldoen aan brandvoorschriften.”

Focus op brandbestendigheid, geindustrialiseerde productie en duurzaamheid

Daarom werd Cecence (uitgesproken als “see-sense”, als in gezond verstand met koolstofvezelcomposieten) opgericht met focus op brandbestendigheid, geindustrialiseerde productie en duurzaamheid. Dit leidde tot ontwikkelingen zoals een compressie-gevormde koolstofvezel/bioresine composiet zitrug voor passagiersvliegtuigen van slechts 7,5 kilogram, die de zitdikte reduceerde tot minder dan 20 millimeter en de ruimte en comfort voor passagiers vergrootte, terwijl aan alle brand-, rook- en toxiciteitseisen (FST) werd voldaan.

“In een eerdere had Cecence een warm persproductiemethode ontwikkeld die de cyclus tijd verkorte van 2,5 uur tot 7 minuten voor een economy class zitrug met snap-cure fenolen ontwikkeld met de Britse prepregger FTI (Somerset),” aldus Orange. Voor de hierboven beschreven nieuwste zitrug, ontwikkeld met Design Q (Redditch, VK), breidde Cecence zijn FST-portefeuille uit door een polyfurylaalcohol (PFA) hars prepreg te gebruiken ontwikkeld door SHD Composites (Sleaford, VK). PFA is een thermohardende polymer afgeleid van biomassa dat presteert als een fenol met uitstekende oppervlakteverwerking en duurzaamheid (zie “Brandbestendig zonder het gewicht”). “We werkten met SHD Composites en drukten hun chemie voor een snellere uitharding,” aldus Orange. “Dat is wat we doen: materialen, processen en ontwerpen nemen en ze verder ontwikkelen zodat composietproducten op schaal geproduceerd kunnen worden op een commercieel haalbare en duurzame manier.”

Thermoformeerbaar epoxy

Productiesnelheid en duurzaamheid waren sleutelfactoren toen Cecence een thermoplastisch epoxy harsysteem tegenkwam. “Deze thermoplastische hars met epoxycomponenten aan het einde van de polymere ketens werd gebruikt door een stoffenbedrijf dat het potentieel in composieten niet besefte,” legt Orange uit.

“We zagen direct de voordelen van een laag-viscose thermoplast die vezels uitstekend kan imprégneren terwijl het een thermovormbaar epoxy mogelijk maakt,” aldus Humphrey Bunyan. Cecence ontwikkelde een prepreg gebaseerd op deze thermoplastische epoxytechnologie, en vervolgens een productfamilie onder de K_Series merknaam: opwikbare K_Rod, 0,25- tot 1,98-millimeter dik semi-preg K_Plate, en K_Chip vormmassa. “We zijn in staat om componenten in minder dan drie minuten te persvormen,” aldus Orange, “en hebben een FR-variant gedemonstreerd die voldoet aan FST-eisen voor vliegtuiginterieurs.” Cecence gebruikte het materiaal ook voor een composiet overhead lijn systeem (COHLE) voor elektrische spoorlijnen dat het aantal ondersteuningspylonen/palen halveert en de totale installatie- en exploitatiekosten met £100.000 ($124.200) per kilometer verlaagt.

Thermoformeerbaar epoxy: dieper uitgewerkt

“Bij typische thermoplasten heb je een hoog-viscose matrixpolymer dat moeilijk in de vezels te persen is,” legt Bunyan uit. “Daarom is het moeilijk om een goede impregnatie van de tows of stoffen te krijgen. Maar de K_Series thermovormbare epoxy heeft een zeer lage viscositeit - 80 centipoise bij 100°C. Dit stelt ons in staat om glas-, koolstof- en natuurvezels met uitstekende hars-naar-vezel distributie en typisch 60% vezelinhouden per gewicht te prepregen. We kunnen ook vezels met epoxy-sizing gebruiken, wat typisch niet compatibel is met thermoplasten.” En toch is dit systeem een echte thermoplast, wat hervorming van afgeronde onderdelen bij 180-200°C mogelijk maakt zonder chemische reactie of exotherme reactie.

“Als epoxy hecht het goed aan de vezel, dus er is geen vezelscheiding van de matrix, zelfs als je hogere druk tijdens het vormtoepast,” merkt Orange op. Dit verwijst naar een probleem dat hij zag bij met korte vezel-versterkte polyamide (PA) en polypropyleen compounds. “We werkten met een laag PA gesmolten op een stof via warm persen om een vlakke plaat te maken. De matrix hechtte niet aan de vezels, maar omgaf ze alleen. Toen het in een onderdeel geperst werd, kreeg je vezel uittrekking.”

K_Plate, dat verwerkt bij 150-220°C, biedt een diensttemperatuur van 100°C voor korte blootstelling en voortgezet gebruik bij 90°C. Gehakte unidirectionele tow K_Chip compounds worden geperst bij 240°C. “De Tg [glasovergangstemperatuur] en aanvang van warmtevervorming voor K_Series zijn lager dan typische epoxy's, maar dit is ook wat hervorming en recycling haalbaar maakt,” aldus Orange. K_Series processen zijn ook snel. “Cecence werkte met RocTool [Le Bourget du Lac, Frankrijk] op JEC 2016 om de snelst vormende thermoplast te demonstreren die zij hadden gezien,” hij noemt een cyclus tijd van 2 minuten, 40 seconden voor een auto kap. “De wachttijd was slechts 25 seconden voor afkoeling, met 8-9 bar druk boven het vacuüm membraan. Zij waren ook tevreden over de afwerking van zowel matte als glanzende oppervlakken [zie openingsafbeelding], ons materiaal leverde de beste afwerking van alle geteste.”

Ook maken de epoxycomponenten in de K_Series producten composietonderdelen makkelijk te schilderen en te lijmen, zonder de speciale primers en voorbereiding die vereist zijn voor traditionele thermoplasten. “Je kunt ze secundair lijmen met standaard lijmmiddelen,” voegt Bunyan toe. “Je krijgt ook goede interlaminaire schuureigenschappen en over het algemeen maken deze zware, energie-absorberende structuren, dankzij de thermoplast.”

CFRP catenary voor goedkopere elektrische spoorwegen

De dubbele aard van deze thermoplastische epoxy komt tot uiting in een overhead lijn systeem (OHLE) ontwikkeld door Cecence met een CFRP catenary gemaakt van K_Rod. De catenary en de stroomdraagende contactdraad zijn de twee hoofd draden in een elektrisch spoorweg OHLE (Fig. 2). Elektriciteit wordt geleverd aan de locomotief van een trein via een pantograf, die zich uitstrekt vanaf de top van de locomotief om tegen de contactdraad te drukken. “De catenary fungeert als een hangbrug tussen pylonen (masten, palen), die elke 25 meter langs de rails staan,” legt Orange uit. De koperen contactdraad hangt van de catenary via verticale afhangers of droppers, vergelijkbaar met hoe een weg wordt ondersteund door kabels in een hangbrug.

“Door een K_Rod spanningskabel als catenary te gebruiken, kan deze slechts 70 millimeter boven de koperen contactdraad zitten,” wijst Orange (Fig. 3). “Het hele systeem is compacter met veel lagere visuele impact op de omgeving.” Huidige OHLE systemen gebruiken staal catenary kabels, die in lengte veranderen met temperatuursverandering. “In de zomer rekken ze uit tot 400 millimeter per kilometer,” merkt hij op. Om deze doorbuiging te compenseren, worden betonnen tegengewichten op katrollen geïnstalleerd als een auto-spanningssysteem, maar dat verhoogt de totale kosten.

“Het gewicht van de staal lijn en zijn doorbuigingsprofiel zijn ook de reden waarom zoveel palen nodig zijn,” merkt Orange op. “Onze CFRP kabel verandert in lengte met slechts 7 millimeter per kilometer in de zomer omdat de verwaarloosbare thermische uitdijning van koolstofvezel een thermisch stabiel composiet creëert. Het is ook 80 procent lichter dan staalkabel, buigt niet door en stelt in staat om pylonen 50 meter uit elkaar te plaatsen, wat het aantal benodigde pylonen halveert.” Dit levert verdere kostenbesparing op omdat voor elke pylon een kantilever dwarsarm is, ondersteund door een streekabel.

Verder gebruiken conventionele OHLE systemen volledig metalen componenten, wat isolatoren vereist om ongewenste geleiding van de elektrische stroom te voorkomen. “Het Cecence COHELE heeft niet al die isolatoren nodig omdat het niet-geleidende glasvezel (GF) composiet palen en dwarsarmen gebruikt met niet-geleidende composiet streekabels,” legt Orange uit. “We gebruiken ook tussenafhangers van 3D-geprinte polylactaat (PLA). In tegenstelling tot een metaal systeem hoeven de palen niet regelmatig geschilderd te worden en vereisen de corrosiebestendige composieten minder onderhoud.”

“De thermoplastische epoxy speelt een cruciale rol in de CFRP catenary,” vervolgt hij. “Cecence gebruikt het in zowel de koolstofvezel K_Rod kern als in de overgeflochtene GF composiet jas. Het resultaat is een lichtgewicht, hoge sterkte, geïsoleerde kabel die opwikbaar is en goed lijmt in een socket, wat het normalerweise lastige afwerkingsprobleem voor koolstofvezel composiet kabels oplost. Dankzij de verbluffende belastingsoverdracht van de kern in de socket via de overvlecht, hebben we geen grote socket lengte nodig en is dit systeem makkelijk, dus praktisch te installeren in het veld door spoorwegtechnici.”

Hoewel de CFRP kabel drie keer zoveel kost als een staal catenary, daalt de totale systeemkost van £512.000 naar £413.000 per kilometer, aldus Orange. Deze kosten, berekend met het multinationale engineering- en infrastructuurbureau Atkins (Londen, VK), omvatten exploitatie-/onderhoudsbesparingen van £400.000 tot £3,4 miljoen per kilometer over de systeemlevensduur.

“Cecence leverde de prototype componenten in mei 2019,” aldus Orange, “en onze ontwikkelingspartners hadden gepland de elektrische lijnen in februari 2020 te plaatsen, maar dat werd vertraagd door COVID-19. Het hele systeem werd getoond op de Advanced Engineering Show in 2019 en won de Composites UK Innovation Award.”

Verder K_Series toepassingen en ontwikkeling

Naast de OHLE toepassing, jaagt Cecence andere mogelijkheden na om zijn K_Series producten toe te passen. “Cecence heeft ook aan projecten gewerkt waar K_Rod kabels werden gebruikt als ankers voor een steenklif in een bouwproject in Zwitserland,” aldus Orange. “Onze projectpartners boorden 80 meter diepe gaten in de rots, voegen de CFRP kabels in en vullen met beton. Er waren verbluffende testresultaten, maar de academische partner heeft nooit verbinding gemaakt met de industrie om het project verder te ontwikkelen dan labschaal. We zoeken wel andere demonstraties, dit systeem is echter corrosievrij en biedt goede belastingsoverdracht. Het kan ook toegepast worden als grondankers voor diverse bouwsystemen, zoals orkaanbestendige gebouwen.”

Video's op YouTube en de Cecence website demonstreren de thermovormbaarheid van de K_Plate producten. “Er zijn ook gesprekken geweest om toepassingen te verkennen voor variabele geometrie/morferende vleugelprofielen met een Brits luchtvaartbedrijf,” aldus Orange. Cecence demonstreerde een kosteneffectief automobielmateriaal met K_Chip gemaakt van gehakte composiet tows als een hybride CF/GF/thermoplastische epoxy materiaal, met behoud van een 2:1 verhouding van koolstof tot glas, bevestigd via testen.

Het bedrijf heeft ook een hoogtemperatuur K_Series ontwikkeld met een Tg van 250-300°C dat verwerkt bij 360-400°C. “Dit werd gebruikt voor een autofabrikant die wilde dat de CFRP onderdelen hun 180°C E-Coat schilderproces zouden doorstaan,” aldus Orange. “We hebben ook het K-FR materiaal, dat de vliegtuig FST verticale brand-, warmtevrijgave en rooktoxiciteitseisen kan halen, en we kijken naar hoe we kunnen helpen met trillingsdemping voor het verminderen van kabinegeluid. We kunnen de thermoplast afstemmen en elastomere materiaallagen toevoegen om significante geluidsreductie te bereiken.”

Samantha Bunyan, de derde Cecence founder en hoofd van industriële betrokkenheid, wijst erop dat herbruikbaarheid ook een belangrijk ontwikkelingsgebied is. Cecence is lid van het ReDisCoveR Composites consortium, uitgevoerd door het National Composites Centre (Bristol, VK). Het werd opgericht in april 2019 en jaagt 24 projecten na langs vier stroomrichtingen: recycling, demontage, circulaire materialen en hergebruik. “Binnen deze projecten kijken we naar demontage van componenten en het demonstreren van de echte herbruikbaarheid van thermoplastische composieten,” aldus Bunyan. “De industrie wordt uiteindelijk gedwongen de herbruikbaarheid te bewijzen die het al jaren claimt. Cecence ziet de voordelen van het kunnen recyclen van K_Series thermoplastische epoxy producten, maar moet ook de processen en economische haalbaarheid hiervoor demonstreren.”

“We geloven dat er nog veel meer ruimte is voor duurzame composieten in massavervoer, inclusief vliegtuiginterieurs, zitplaatsen en spoorwegtoepassingen,” aldus Orange, met toevoeging dat Cecence niet alleen een partner in ontwikkeling is maar ook in productie. “We hebben tot nu toe 2.500 composiet zitruggen voor A320-type vliegtuigen geproduceerd en waren op schema om de lichtste en dunste zitruggen in de industrie te produceren voordat COVID-19 uitbrak. Restmateriaal van composiet zitjes kan hergebruikt worden in voetsteunen en armsteunen. Gerecycleerd materiaal kan ook gebruikt worden in andere hulponderdelen die nu virgin kunststoffen gebruiken. Al dit kan helpen fossiele brandstofverbruik en emissies te verlagen alsook elektrificatie te faciliteren en duurzaamheid te vergroten.”

In composieten, merkt Samantha Bunyan op, “is duurzaamheid drievoudig: materialen, verwerking (snel en laag-energetisch) en toeleveringsketen. We storen al deze drie, samenwerkend met innovatoren uit de hele wereld die niet gezien worden omdat de meeste mensen alleen naar de grote bedrijven kijken. De wereld heeft nieuwe oplossingen nodig die voor de industrie werken. Dat is wat Cecence doet.”