長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性材料在汽車(chē)領(lǐng)域的拓展

汽車(chē)行業(yè)對(duì)兼具剛性、強(qiáng)度、易加工性和環(huán)保性能的材料需求日益嚴(yán)苛，這為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料 （LFT）打開(kāi)了更廣闊的發(fā)展空間。此類(lèi)具有組合特性的材料尤其吸引汽車(chē)制造商，因?yàn)槠淇梢栽诒３只蛱嵘阅艿那疤嵯聹p輕零部件重量。

標(biāo)題圖：電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展為長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料提供了市場(chǎng)潛力©SHUTTLESTOCKS

除了汽車(chē)輕量化這一由來(lái)已久的目標(biāo)外，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的需求也因其它一些原因而加速增長(zhǎng)。隨著汽車(chē)行業(yè)越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向電動(dòng)和混合動(dòng)力系統(tǒng)，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在電池組件中的應(yīng)用迎來(lái)了新的機(jī)遇。由于電池相對(duì)較重，因此人們對(duì)可用于減輕其它汽車(chē)部件重量的材料越來(lái)越感興趣，這反過(guò)來(lái)又會(huì)刺激未來(lái)對(duì)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的需求。此外，隨著汽車(chē)行業(yè)對(duì)聚合物部件的可回收性要求越來(lái)越高，既能替代金屬、又含回收成分且自身可回收的材料更具吸引力。

企業(yè)創(chuàng)新與應(yīng)用案例

TechnoCompound專(zhuān)注于減少排放和減少消費(fèi)后回收（PCR）材料的氣味，并推出了一系列針對(duì)汽車(chē)行業(yè)的新型LFT材料，主要用于汽車(chē)內(nèi)飾。這些材料主要是基于聚丙烯，牌號(hào)為T(mén)echnoGreen，可以與該公司含PCR的長(zhǎng)玻璃纖維改性材料混合，從而大大降低最終部件的碳足跡。

例如，該公司的TechnoGreen PP LGF60以100% 原生PP為基料，可與100% PCR材料TechnoFin rPP在機(jī)器中混合。該公司稱，如果以2：1的比例混合這兩個(gè)牌號(hào)，與使用100% 原生PP作為基材的類(lèi)似長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)塑料相比，碳減排可達(dá)55%。

TechnoCompound表示，自主混合LFT可簡(jiǎn)化庫(kù)存管理，因?yàn)楣S可以根據(jù)不同原材料配比，通過(guò)擠出機(jī)進(jìn)行混合生產(chǎn)，甚至可能僅需儲(chǔ)備兩種基材。

其幾種改性材料已通過(guò)汽車(chē)行業(yè)測(cè)試，并被用于奧迪的兩個(gè)量產(chǎn)車(chē)型，以及保時(shí)捷Macan和Mini Cooper的2024年車(chē)型。這些材料用于儀表板支架。為了贏得這些應(yīng)用，這些材料必須滿足嚴(yán)格的物理要求，而且由于是內(nèi)部組件，它們還必須滿足嚴(yán)格的氣味和揮發(fā)性排放標(biāo)準(zhǔn)。

姊妹公司ConClimate與TechnoCompound合作，一起計(jì)算碳減排量，計(jì)算涵蓋1、2和3類(lèi)碳排放，其中還包括TechnoCompound工廠門(mén)口的產(chǎn)品包裝。

TechnoCompound董事總經(jīng)理Dirk Breitbach表示：“35年來(lái)，我們一直在使用回收材料生產(chǎn)高質(zhì)量的材料……這些材料在廣泛的應(yīng)用中符合嚴(yán)格的要求。”

汽車(chē)行業(yè)重視LFT材料的高比強(qiáng)度。強(qiáng)度高且重量輕的重要特性有助于汽車(chē)制造商減輕部件的重量，從而提高車(chē)輛的燃油效率。

電動(dòng)汽車(chē)的非電池部件盡可能輕，這一點(diǎn)尤為重要，因?yàn)殡姵氐闹亓亢茈y減輕，保持續(xù)航里程或性能也很難。大型電池系統(tǒng)的危險(xiǎn)之一是它們可能會(huì)變得非常熱，這可能會(huì)導(dǎo)致熱失控，然后著火，除非電池得到恰當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

在NPE 2024展會(huì)上，沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司（SABIC）公布了其Stamax 30YH570長(zhǎng)纖維增強(qiáng)PP材料的一系列測(cè)試結(jié)果，該材料可用于汽車(chē)燃料電池。SABIC使用了四個(gè)不同的場(chǎng)景來(lái)突出該牌號(hào)在此類(lèi)絕緣應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。其中一個(gè)場(chǎng)景是用注塑Stamax 30YH570保護(hù)15個(gè)18650鋰離子電池組，另一個(gè)是沒(méi)有這個(gè)保護(hù)。同樣，在11個(gè)21700燃料電池組上也是有保護(hù)和沒(méi)有保護(hù)的兩個(gè)場(chǎng)景。所有電池都密封在鋼制容器中。

為了測(cè)試LFT材料作為絕緣材料的有效性，使用電加熱帶對(duì)每個(gè)場(chǎng)景中的電池進(jìn)行加熱以引發(fā)熱失控。沒(méi)有Stamax 30HY570 部件保護(hù)的電池迅速開(kāi)始釋放高溫氣體、明火和高速顆粒，裝有電池的鋼容器內(nèi)的壓力迅速增加。同時(shí)，由于熱量在電池之間很容易傳遞，失控蔓延到所有相鄰的電池。

有Stamax 30HY570部件保護(hù)的電池系統(tǒng)則表現(xiàn)不同。在這些系統(tǒng)中，被加熱電池周?chē)腜P LFT材料熔化、變成氣體并碳化。聚合物的物理狀態(tài)從固體到液體再到氣體的變化所需的能量消減了加熱的電池中的熱量。與此同時(shí)，碳化的材料形成了一種絕緣炭，有助于減緩熱量和火災(zāi)的蔓延。

圖1：現(xiàn)代 Ioniq 6 2023 車(chē)型的電池系統(tǒng)使用的是 SABIC LFT 增強(qiáng)材料©HYUNDAI

SABIC表示，其PP LFT化合物已商用化于2023款現(xiàn)代IONIQ 6的電池系統(tǒng)（圖1）。該車(chē)型的電池模塊外殼由H1030 PP材料制成。這是一種無(wú)鹵材料，含有30%的玻璃纖維，符合中國(guó)GB/T 41467.3-2015電動(dòng)汽車(chē)防火標(biāo)準(zhǔn)（可承受1000℃高溫5分鐘）。

除了展示這些電池部件外，SABIC還在NPE 2024展會(huì)上展示了其長(zhǎng)纖維增強(qiáng)PP材料如何用于一系列其它汽車(chē)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，憑借低重量、高強(qiáng)度、增強(qiáng)的電氣和隔熱性能，SABIC的這些材料為部件本身或該部件組裝后的組件提供了額外的好處。展品包括量產(chǎn)或原型部件，如外殼、端板、母線排，以及尾門(mén)、照明組件與智能面板等結(jié)構(gòu)件。

同樣在汽車(chē)領(lǐng)域，美國(guó)寶理公司（Polyplastics，隸屬于日本Daicel公司）副總裁Tim Kneale表示：“我們的材料用于需要重量輕并且強(qiáng)度高的地方。一個(gè)重要的應(yīng)用是汽車(chē)，例如，用于汽車(chē)內(nèi)飾的后部零件和面板。”

寶理生產(chǎn)各種LFT工程塑料，該公司的全國(guó)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Tushar Birje說(shuō)：“我們的Plastron系列包含可以用玻璃、碳和纖維素等一系列纖維增強(qiáng)的PP、PA6、PA66、PA9T、PA12和PAMXD6。”

Kneale強(qiáng)調(diào)說(shuō)，公司正開(kāi)發(fā)助力汽車(chē)行業(yè)綠色生產(chǎn)的產(chǎn)品：“降低碳排放越來(lái)越重要，我們正探索使用含再生纖維素的再生PP以進(jìn)一步降低碳足跡。”

Birje表示，纖維素纖維是使用溶劑法再生的，這種方法產(chǎn)生的廢料很少。“由于它的密度比玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯樹(shù)脂低近10%，因此相同體積產(chǎn)生的溫室氣體排放量更低。”他補(bǔ)充道。

該公司近期推出的長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料產(chǎn)品 Plastron RA627P 也采用了纖維素增強(qiáng)技術(shù)。汽車(chē)行業(yè)可能是長(zhǎng)纖維增強(qiáng)塑料的一個(gè)重要市場(chǎng)，這些材料還可用于對(duì)高強(qiáng)度和低重量要求較高的領(lǐng)域。高保真音樂(lè)行業(yè)就是一個(gè)需要盡量減少慣性以提高性能的領(lǐng)域。因此，長(zhǎng)纖維增強(qiáng)熱塑性塑料經(jīng)常在揚(yáng)聲器振膜等應(yīng)用中大顯身手。

寶理表示，Plastron LFT RA627P牌號(hào)使用再生纖維素纖維增強(qiáng)材料，與30%的玻璃填充材料相比，30%的再生纖維素纖維添加量可以將該牌號(hào)的環(huán)境足跡減少30%。

圖2：揚(yáng)聲器振膜是 LFT 的一個(gè)非汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域©寶理塑

這個(gè)新牌號(hào)在PP中使用不間斷的纖維素纖維。這些纖維的長(zhǎng)度和方向都相同。紡絲回收纖維素具有高強(qiáng)度和彈性。該公司表示，該牌號(hào)的彎曲模量與30%的短玻璃纖維增強(qiáng)PP材料大致相同，但密度低10%，因此其比剛度高于同等的30%玻璃纖維填充PP。此外，寶理表示，RA627P的低損耗系數(shù)及高比剛度的組合優(yōu)勢(shì)使其可用作音響系統(tǒng)中振膜的材料（圖2）。

圖3：Feddem 表示，其 LFT 改性生產(chǎn)設(shè)備已安裝在Polyram美國(guó)公司的埃文斯維爾生產(chǎn)基地©FEDDEM

擠出技術(shù)的進(jìn)展

在擠出技術(shù)方面，F(xiàn)eddem公司的LFT復(fù)合生產(chǎn)線概念有了新進(jìn)展。該公司為Polyram美國(guó)公司位于印第安納州埃文斯維爾（Evansville, Indiana）的工廠提供了第二代生產(chǎn)線（圖3）。Polyram表示，新的Feddem FLF600生產(chǎn)線雖然只有58股，但生產(chǎn)率與埃文斯維爾工廠占地100000平方英尺的兩條共120股的傳統(tǒng)LFT生產(chǎn)線的生產(chǎn)率相同。

Feddem的高級(jí)技術(shù)專(zhuān)家Sebastian Jost表示：“該生產(chǎn)線的高性能基于浸漬模具中優(yōu)化的股線運(yùn)行和對(duì)生產(chǎn)參數(shù)的精細(xì)控制。”他補(bǔ)充道，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線相比，該生產(chǎn)線節(jié)省了大量空間。

本文由榮格獨(dú)家翻譯自AMI《COMPOUNDING WORLD》
作者：Simon Robinson

來(lái)源：榮格-《國(guó)際塑料商情》

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