短碳纤维化合物扩大了热塑性复合材料的应用范围

一系列专为注塑成型而配制的短碳纤维增强热塑性塑料 (CFRTP) 化合物被用于扩展热塑性复合材料在各种零件尺寸和复杂性方面的能力。有趣的是，这些材料已被证明在越来越多的应用（从体育用品和汽车零件到医疗设备和航空航天部件）中优于长纤维热塑性 (LFT) 复合材料（玻璃纤维或碳纤维）以及金属。

模塑机转复合机

这些材料由 Mitsubishi Chemical Advanced Materials Inc.（MCAM，东京，日本）配制和销售。 MCAM 结合了母公司在过去十年中收购的几项先前独立的业务。其中包括前 Quadrant AG（瑞士伦茨堡），一家生产玻璃毡热塑性塑料 (GMT) 和有机片复合材料以及热塑性工程形状的生产商，以及最初成立的 Piper Plastics Inc.（美国亚利桑那州钱德勒）作为注塑成型商和精密机械零件生产商的一生，后来扩展到定制 CFRTP 复合材料 - 首先供自己使用，后来供其他成型商使用。

大约在 2012 年，Piper 是一家中型定制注塑成型商，为航空航天和体育用品/娱乐设备领域的客户群提供服务。公司领导层希望发展其零部件制造业务，但面临两个挑战。首先，它在采购团队认为将使公司能够在更高绩效的细分市场中竞争的化合物种类时遇到了麻烦。其次，该公司想进入汽车市场，但没有足够的可用成型能力来参与主要项目的竞争。

通过对各种基础树脂和纤维上浆技术进行集中研发，解决了第一个问题，从而开发了一系列称为 KyronMAX 的高性能、可注塑 CFRTP 化合物。这些材料采用诸如聚酰胺 6/6 (PA6/6)、聚邻苯二甲酰胺 (PPA)、聚醚酰亚胺 (PEI)、聚苯硫醚 (PPS)、聚醚醚酮 (PEEK) 和用短切碳纤维增强的聚芳醚酮 (PAEK) 等基质。这些化合物——其中大部分具有高热性能、广泛的耐化学性、良好的机械性能和低火焰/烟雾/毒性 (FST) 值——不仅用于替代短玻璃纤维增​​强和矿物填充注塑等级，而且LFT 化合物（平均起始纤维长度为 13 毫米）甚至金属。

“在数据表上，LFT 复合材料看起来更坚固，但它们通常无法填充我们可以用短碳纤维技术填充的零件几何形状，”MCAM 复合材料大客户经理 Alex Wojtysiak 解释说。 “因为我们的流量要高得多，所以我们能够更好地填充复杂的几何形状，所以我们的化合物生产的部件明显更坚固。”

MCAM 全球复合材料技术经理 Clint Newell 补充说：“我们并不是要开始创建范围广泛的 CFRTP 复合材料，而是开发每种复合材料都是为了满足特定客户的特定需求。” “随着我们的配方能力不断提高，我们进入了新市场，会见了新客户，询问了他们的需求，并着手创造一种完美的化合物来满足这些需求。”

不出所料，因为这些化合物最初是由 for 的成型商 作为模塑商，它们旨在提供易于加工的特性，并始终如一地生产出质量更高、性能更好的零件。 “我们制定了 KyronMAX 产品线，以提供更高的流动性和纤维相互作用、更低的内应力、更小的各向异性、更强的熔接线、更少的缩痕、更少的翘曲趋势和更高的尺寸精度——无论壁厚是厚还是薄，” MCAM 研发总监 Dave Wilkinson 指出。 “除了我们的配方工作和独特的施胶技术外，我们还对印刷机进行了修改，以更有效地运行这些材料。”

为什么不寻常的产品名称？ “在古希腊神话中，Kyron（也拼写为 Chiron）一半是半人马，一半是人类，”MCAM 首席创新官 Randy White 解释道。 “凯伦利用他独特的个人技能超越了他的野兽本性。我们将其比作我们的化合物，它一半是碳纤维，一半是树脂，强度像马一样强壮，像人一样聪明，易于加工。”

随着配方专业知识的增长，该公司引起了三菱化学控股集团（MCHC，日本东京）的注意，该集团于 2016 年收购了派珀。 MCHC 立即进行了数百万美元的巨额投资，以扩大亚利桑那州复合生产线的规模，自动化操作并引入自己的碳纤维上浆和切碎技术，使 KyronMAX 化合物能够更快地生产，并具有更高的一致性和效率。随后，第二条复合生产线在密歇根建立，第三条在日本建立。这种扩大的产能意味着 KyronMAX 等级可以竞争北美和亚洲的汽车业务。其他市场也纷纷效仿。

扩大产品范围，新的市场机会

现在，凭借更大的生产能力和更广泛的聚合物和碳纤维材料，MCAM 团队一直忙于开发一系列新产品——其中一些是专为汽车市场设计的。其中最有趣的是 KyronMAX ES 4240，据说它是世界上第一种打破 414 MPa (60,000 psi) 拉伸强度障碍的短碳纤维注塑成型化合物。该等级在底特律郊区的 2019 年 SPE 汽车工程塑料会议 (AutoEPCON) 上推出，是一种 40% 纤维重量分数 (FWF) 的碳纤维增强 PPA，它还提供 41.2 GPa 的拉伸模量值和弯曲模量值34.5 GPa 和弯曲强度值 552 MPa。 PPA 是一种特殊形式的聚酰胺，与传统的 PA6 和 PA6/6 相比，具有更好的耐热性和更广泛的耐化学性，并且水解的趋势要低得多。

2019 年 SPE AutoEPCON 上推出的其他汽车等级包括专为引擎盖下应用开发的高温碳纤维增强 PPA 等级。据说该等级的玻璃化转变温度 (Tg) 和连续使用温度 (CUT) 可与 PEEK 相媲美，但更容易成型。鉴于汽车和小家电等大批量行业的成本敏感性，得知该团队还在开发基于聚丙烯 (PP) 的 KyronMAX 产品也就不足为奇了。

随着其产品线的扩大，使用这些材料的市场也在扩大。除了渴望已久的汽车业务外，该公司现在还为医疗设备（耐用和一次性）、小家电和消费电子产品（金属更换外壳/外壳）提供服务。航空航天仍然很重要，体育用品行业也很重要，体育用品行业已经发展到包括赛车、山地自行车、高尔夫球杆、枪械、复合弓和其他射箭零件的应用。有几种产品提供的线性热膨胀系数 (CLTE) 值与金属注射成型 (MIM) 铝和镁的值相似——尽管具有更好的韧性、更轻的重量和更低的成本——该团队发现自己正在越来越多的应用中取代金属.

下一步是什么？通过访问全球范围更广的三菱组织，MCAM 团队可以获得代表更广泛的复合材料组合的技术，这些组合涵盖热塑性和热固性化学物质，具有一系列增强类型和长度。例如，另一家三菱集团生产分裂短切丝束碳纤维增强锻造模塑料 (FMC)，一种先进形式的片状模塑料 (SMC)，有助于弥合短玻璃或碳纤维增强 SMC 与连续碳纤维增强预浸料之间的性能和加工差距。另一组生产机织和非织造碳纤维增强预浸料和快速固化预浸料压缩成型（PCM）材料。

在 MCAM 本身中，另一项即将商业化的技术是具有热塑性的新型纺织品（无纺布、机织和单向）增强干式预浸料 矩阵称为 KyronTEX。目前正在战略性地对这些产品进行抽样。

最后，去年夏天 MCAM 收购了 carbonNXT GmbH 和姊妹公司 CFK Valley State Recycling GmbH and Co. KG（均位于德国威施哈芬），将完整的碳纤维回收技术线引入该集团的产品供应中。据说 MCAM 团队正在使用回收碳纤维测试多种配方，然后才能获得合格的商业产品。