反应聚合树脂扩大有机片材市场，机遇

今年秋天，Johns Manville（美国科罗拉多州丹佛市 JM）计划推出其 Neomera 系列的首批产品。首次发行将就地 - 聚合、编织玻璃纤维增​​强聚酰胺 6 (PA6) 有机片材，但该系列很快将扩展到包括非卷曲织物 (NCF) 和长切纤维。 JM 还表示，正在评估其他反应聚合的热塑性基质，以及混合增强结构（例如，结合碳纤维和玻璃纤维）甚至非玻璃增强材料。该公司指出，由于制造这些材料的方法与传统的有机片材和长纤维热塑性复合材料不同，Neomera 产品将以更低的成本提供更高的机械性能。以下是我们目前对这些材料的了解。

一种制备有机片材的新方法

传统的有机片材——通常是一种特殊形式的玻璃毡热塑性复合材料 (GMT)，用机织织物增强——由聚丙烯 (PP) 或聚酰胺 6 或 6/6 (PA6、PA6/6) 基体制成。有机片复合材料最常用于汽车、商用卡车、建筑/施工和体育用品行业的半结构和结构部件。

有几个方面使 JM 的 Neomera 系列与市场上已有的产品不同。首先，该公司不是用完全聚合的 PA6 树脂熔融浸渍纤维，而是在浸渍步骤后将己内酰胺单体阴离子聚合成 PA6。由于熔融己内酰胺的粘度非常低（约 5 厘泊），因此它比完全聚合的热塑性塑料更有效地浸湿粗纱或织物，后者具有更长的聚合物链和更高的粘度。这意味着 JM 的反应聚合树脂系统比完全聚合的热塑性塑料（如 PA6）实现了更好的润湿性——更像是液体热固性塑料。反过来，这大大减少了空隙，并提供了创造更高纤维体积分数 (FVF) 的机会——大约 50% 或更高——这本身就提高了机械性能。

其次，在用己内酰胺浸渍之前，JM 还在用自己专有的反应性玻璃上浆剂处理玻璃纤维——无论是短切、编织还是 NCF。与具有相同类型和百分比纤维负载和基体的其他有机片产品相比，这再次增强了纤维-树脂的结合，并在可比的 FVF 下产生了更高的机械性能。

创新的长纤维有机片材可提供随机纤维分布、完全的纤维浸润和出色的纤维-树脂粘合，如上图所示。左图显示的是玻璃纤维束的末端，右图显示单个纤维束自上而下完全涂有树脂。

“我们希望人们理解的是，我们不会引入另一个 me-too 有机片材产品，”JM 企业研发高级研究经理张明福解释说。 “因为我们从己内酰胺开始，与使用热塑性聚合物的纤维相比，我们可以更容易地浸湿纤维。因此，我们实现了更好的浸渍、更高的纤维体积分数和更好的性能。事实上，这使我们能够创造出在传统有机片材中甚至无法实现的特殊产品。”

去年，JM 宣布已开发出该技术，并正在战略性地对其进行抽样。计划是在 9 月对 Neomera 进行软发布，然后在下个月在 2021 复合材料与先进材料博览会（CAMX，10 月 18 日至 21 日，美国德克萨斯州达拉斯）上进行硬发布。

分阶段推出

最初的 Neomera 产品——OS-6 系列——将使用机织织物进行加固。 “我们计划通过在 FVF 中提供 45% 到 50% 的斜纹编织结构来推出我们的产品线，因为我们看到对这些类型的复合材料的大量需求，”JM 产品负责人 - 复合材料、企业研发部门 Dana Miloaga 指出. “因为它是一种平衡的编织方式，并提供良好的悬垂性和正交各向异性特性，所以习惯于指定要使用的金属以实现更轻、更高性能的部件的工程师更容易。”

新有机片材系列的编织形式将紧随其后的是 NCF-6 系列，该系列采用较重的 NCF，传统上已证明用传统热塑性塑料浸渍具有挑战性。最后，计划使用不连续但仍更长的光纤（> 25 毫米）版本。该产品系列被称为 CR-6 系列，据称具有有助于保持假各向同性特性的一致纤维长度，将与 GMT 和直接长纤维热塑性塑料 (D-LFT) 等长纤维热塑性塑料技术展开竞争。 JM 报告说，成型商将能够单独使用每种 Neomera 产品或与其他类型组合使用。例如，由编织或 NCF 有机片材的条带或片材组成的可压塑混合结构可用于增强载荷路径，而不连续的纤维增强有机片材可用于放置更复杂几何形状（如肋条或凸台）的位置。 “在测试中，我们的不连续纤维 CR-6 产品已被证明比传统的短切纤维 GMT 具有更好的可塑性，”张补充道。

就成型商或模具制造商而言，JM 的新产品将像传统有机片材或 GMT 一样加工。模具构造要求也类似。 唯一需要进行的调整是在比 PP 的典型温度更高的温度下预热和成型具有 PA6 基体的 Neomera 有机片材，因为后者的熔体和成型温度较低。有趣的是，与某些 GMT 产品不同，玻璃纤维在预热后不会因回弹而发生放样，因此材料保持完全固结。张说，这是因为纤维完全浸渍了己内酰胺，而且——因为单体随后原位聚合 — 与使用 PA 基质的传统有机片相比，它们获得了更高的分子量。

JM 研究人员还一直在进行基本的材料表征，以帮助设计工程师更准确地模拟零件性能。 “我们一直在与客户密切合作，以确定他们最初需要进行更详细的模拟工作的最重要数据，”Miloaga 解释说。 “我们计划生成他们可以在早期使用的构建块，因为通常需要 6 个月的时间来完成开发完整材料卡所需的表征。”

对于引入的每条产品线，该公司表示，它正在对两家全球供应商进行资格审查，以确保强大的供应链以及全球准入和一致性。 JM 在丹佛地区的生产线一直在为客户生产样品数量的材料，但初步商业生产将在斯洛伐克的特尔纳瓦进行。

Neomera 产品将提供黑色，可选择“自然”（灰白色）和定制颜色。最初，随着商业生产的增加，产品将按订单生产和裁剪，但从长远来看，计划是库存标准尺寸。

JM 工艺的一个有趣方面是它可以在连续工艺中生产厚板。 “现有有机板面临的一个挑战是它通常以半毫米厚的板生产，因此为了向客户提供 3 毫米厚的产品，他们必须对多张板进行后合并以制成层压板， ”张解释道。 “我们可以跳过整个后合并步骤，因为我们可以直接制作 3 毫米厚的片材。事实上，这是我们技术最独特的方面之一。我们知道己内酰胺具有类似水的粘度，但我们仍然惊讶于我们的技术非常适合生产厚层压板。这使我们在为客户提供的服务方面具有很大的灵活性。此外，通过跳过后固结步骤，我们的产品避免了另一个加热循环。”

具有挑战性的是控制制造过程以处理己内酰胺的湿敏阴离子聚合。 “在我们开始这个项目之前，将己内酰胺阴离子聚合成 PA6 的过程实际上只是在封闭的模具中完成，因此要使其适应连续工艺以生产非常一致的产品需要大量的工作，”张补充道。

下一步是什么？

当被问及为什么像 JM 这样的玻璃供应商想要制造中间产品而不只是许可技术时，JM 公司研发高级研究科学家 Klaus Gleich 说：“鉴于我们制造过程的性质，实际上并没有很多能够制作材料的人。我们非常了解化学并了解其挑战，因此我们最有能力将其扩大规模并将其商业化。除此之外，我们的研发团队专门开发了这项创新技术，以扩大我们的业务并为我们在伯克希尔哈撒韦 [美国内布拉斯加州奥马哈] 的所有者带来更大的价值。我们希望成为创新者并创造新的市场机会。”

“我们看到热塑性复合材料进入半结构和真正结构应用的趋势，以制造与我们新的有机片技术非常一致的轻质和可持续组件，”Miloaga 补充道。事实上，她说使用 Neomera 系列的第一个商业应用已经不远了。 JM 一直在赛车运动中试用材料，并且对汽车和商用卡车以及体育用品等其他运输领域也很感兴趣。 “关键是我们正在解决问题，”她补充道。 “竞争代价高昂，投资组合有限。我们可以生产性能更高、成本效益更高的产品——这是一个双赢的组合。”