收获好处：复合材料在农业设备中的使用增长

虽然这不是大多数人认为复合材料市场不断增长的第一个运输领域，但也许农业设备应该并且，随着时间的推移，将会。毕竟，随着全球人口的增加，将需要更多的资源来种植植物和牲畜来养活我们。尽管经历了一个世纪的可怕战争和一些重大的国际瘟疫，但人口在 20 世纪仍成功增长了 400%。今天的世界人口为 76 亿，联合国（美国纽约州纽约市）预计到 2030 年将再增加 10 亿，到 2050 年再增加 10 亿，到 2100 年，世界人口将达到 112 亿。随着农业的发展，设备市场也将增长。

目前，农业设备行业在地理上是分散的，只有少数全球原始设备制造商以该行业的最高产量建造——而且这些产量通常仍低于重型卡车行业。然而，一系列趋势——包括美洲的土地整合、许多地区更严格的柴油动力汽车燃油效率和排放标准、减轻重量的复杂问题、对使用设计差异化作为营销工具的更大兴趣，以及向后集成的机械原始设备制造商仍然在金属方面的变化导致越来越多的组件被转换为使用更广泛的材料和工艺的复合材料。随着这些趋势越来越受到关注，不难想象农业设备会成为复合材料的主要市场。

交通——但不同

了解农业设备市场的第一件事是它有多大但很分散，以及这如何影响每个地区生产和使用的设备类型。

“区域性是这个市场的一个有趣因素，”利安德巴塞尔工程复合材料公司（美国德克萨斯州休斯顿）的全球大客户经理/农业市场经理 Deavron Farmer 解释说。 “由于过去五年的整合，美洲（尤其是美国、加拿大、阿根廷和巴西）最大的农场面积往往达数万英亩，甚至数十万英亩，通常有连续的田地.鉴于这些田地的规模和单一作物 [在大面积下种植单一作物] 的趋势，设备变得更大、更模块化，因此农民可以有效地为越来越大的土地提供服务。”他补充说，欧洲的情况并不一定如此，那里的农场规模仍然较小，设备规模也适当。

另一方面，在发展中国家，其他驱动因素也在发挥作用。 “成本——这是一个无处不在的问题——在发展中地区是一个特别敏感的问题，在这些地区，拖拉机等设备也可以作为家庭进城的交通工具，”法默补充道。 “虽然那里的农民可能使用老式设备，但变化升级得如此迅速，以至于发展中国家的农民很可能会超越其他地区需要数十年才能发展的整代设备——就像消费电子产品一样。”鉴于农业设备市场在地理上的分散程度，约翰迪尔（美国伊利诺伊州莫林迪尔公司）、凯斯纽荷兰（CNH Global NV，荷兰阿姆斯特丹）和爱科（AGCO）等全球原始设备制造商的机会较少Corp., Duluth, Ga., US) 创建世界模型，允许共享零件和降低成本，就像其他运输部门所做的那样。这意味着全球采购协议不太常见，因此制造商、模塑商和材料供应商必须在他们希望进行销售的每个地区都符合资格。

这个市场的另一个不同之处是农用设备的设计寿命很长。如今，汽车制造商的目标是十年的使用寿命。商用卡车制造商测试和保修 482,803 公里的重载车辆和 190 万公里的长途卡车——后者的目标可以在短短五年内实现——而自卸车、混凝土搅拌机等可能运行几十年。

然而，即使在北美，也看不到使用了 40、50 或 60 年的农用设备。二手设备市场非常活跃，因此，农机设计为可以长时间运行。由于大多数农场设备在户外度过其整个生命周期，这一事实使情况变得复杂，不断暴露在热、冷、风、湿气和紫外线辐射中，同时在运行过程中会受到石头、砾石和灰尘的冲击。用于此类设备的材料不仅必须耐腐蚀、抗凹痕并具有良好的耐候性，而且还必须提供化学和热稳定性。

这些机器经常接触到从碳氢化合物燃料和润滑油到化肥和杀虫剂的各种物质，其中许多物质都经过氯化或分散在脂质基质中。与汽车和卡车一样，由于新的尾气排放法规，发动机舱周围的热量正在增加。此外，农民长时间待在拖拉机驾驶室中，这增加了降低噪音、振动和粗糙度 (NVH) 并提高操作员舒适度的需求。总而言之，这对任何一组材料来说都是一项艰巨的任务。

然而，较低的产量会使复合材料的成本效益低于传统材料。除了小型骑乘式割草机（每年可生产 350,000 台汽车般的产量）外，大多数设备的年生产量在几百到几万台之间。这部分是因为新机械领域有很多定制选项可用，部分是因为一些最新设备的设计尺寸更大，并且具有增加成本和复杂性的新功能。根据设备和型号的类型，它可能与购买新车甚至新房子一样昂贵。事实上，进入和留在农业所需的高资本投资已成为阻止新农民进入该行业的最大障碍之一。

此外，复合材料相对于传统材料的轻量化可能是一个好处——但减轻农业设备的重量是一个复杂的问题。一方面，高车重会导致土壤板结，从而阻碍植物生长。在某些应用中，例如用于将水和化学品喷洒到田地的喷杆臂，轻量化是一个真正的好处。为了有效地服务于越来越大的田地，悬臂越来越长，从而减少了覆盖田地所需的通过次数。然而，这反过来又意味着需要更大的支撑结构来防止臂在如此长的跨度上下垂——车辆每侧的跨度可能超过 15 米。努力减轻重量——从铝转向复合材料——可以为原始设备制造商和农民带来真正的好处。

另一方面，轻量化并不总是有益的——尤其是当它影响车辆稳定性时。例如，前重型联合收割机需要在车辆后部负重，以在操作期间使后轮保持在地面上。因此，分布 重量是确保安全和效率的关键。所有这些因素都意味着农业设备的重量很复杂，而且它的减轻几乎没有卡车、公共汽车和乘用车的嗡嗡声。

材料多，工艺多

考虑到农业设备的尺寸和产量范围——从骑乘式割草机和紧凑型多功能拖拉机 (CUT) 到水斗和联合收割机——在这一领域，使用各种开模和闭模工艺生产主要是热固性复合材料部件，尽管增强型热塑性塑料开始在特定应用中占据一席之地。令人惊讶的是，用于农业设备的最新材料之一是航空级、高压釜固化碳纤维增强环氧树脂预浸料，用于喷杆臂。在铝或钢中，这些臂需要如此多的支撑结构，以至于它们的长度受到实际限制。然而，通过转换为高性能、轻质的碳纤维复合材料，不仅可以减少或消除支撑结构，而且可以使吊臂更长。 3D 打印也在这一领域取得进展——主要用于工具和装配夹具，但也用于生产车辆上的一些零件。

随着外观合身和表面处理以及零件一致性对于 OEM 和客户而言，无论是在产品差异化还是视觉品牌方面都变得越来越重要，设备制造商正在探索塑料和复合材料的众所周知的优势，以促进设计自由、零件整合和高美学。通过油漆、胶衣和着色聚合物，颜色是该领域视觉品牌的另一个常用方面。事实上，一些原始设备制造商在同一车身面板上结合不同的油漆纹理（例如，浅色点加光泽）以隐藏磨损区域的磨损痕迹，同时仍然获得令人愉悦的外观。供应基地正在进行的工作正在寻找方法来延长油漆和涂料的耐用性，并消除这两种技术，以支持具有更高紫外线稳定性的薄膜和彩色模塑 (MIC) 材料。

绿色农业复合材料

可持续性——从提高燃料效率到使用回收和植物衍生聚合物——在农业中与在其他运输领域一样重要和可取。有趣的是，生物基单体在这里比在汽车中更容易销售。 “这对我们农业社区的客户来说很有意义，”约翰迪尔材料工程与技术经理、塑料工业协会（华盛顿特区，我们）。 “他们使用我们的设备来种植玉米和大豆，然后这些商品被用来制造聚合物，这些聚合物被模制成我们为这些客户生产的新设备的组件。”

目前，热固性农业复合材料中最常见的植物产品包括大豆和玉米，它们可用于制成片状模塑料 (SMC) 和块状模塑料 (BMC) 的不饱和聚酯树脂。 2000 年左右，亚什兰有限责任公司（美国俄亥俄州哥伦布市）将 Envirez 1807 生物基不饱和聚酯 (UP) 树脂引入混炼商，后者将其转化为 SMC 并将其出售给成型商，用于进入农业设备市场的零件——主要用于大型联合收割机侧壁板。该公司声称 Envirez 是第一种市售的 UP 树脂，其中含有大量 (18%) 来自玉米或大豆的谷物衍生单体。该聚合物在未催化的情况下提供，据说在 SMC 中在低固化温度下可提供均匀的增稠响应、良好的可涂性和良好的表面特性。与源自石油原料的聚合物相比，它也不太容易出现价格波动。

另一种消除油漆成本和环境负担的绿色 SMC 产品是一种耐候的结构化 UP 树脂，首先用于皮卡箱的可见表面 现在出现在约翰迪尔 8000 拖拉机的后处理柴油 (ATD) 面板上。 Arotran 805 是一种紫外线稳定的彩色模塑 (MIC) 黑色牌号，由亚什兰和添加剂供应商 Chromaflo Technologies LLC（美国俄亥俄州阿什塔布拉）联合开发，并由 Ashley Industrial Molding（美国印第安纳州阿什利）模压成型。 ， 我们）。当复合到 SMC 中并用于 ATD 面板等应用时，它有助于长期保持美观，从而有助于支持更高的拖拉机转售价值。

LyondellBasell Engineered Composites 在 2018 年 CAMX 展会上推出了针对农业设备以及建筑/施工和电气/电子市场的新一代 SMC。 “作为一个行业，我们知道热固性复合材料在报废回收方面存在局限性，”LyondellBasell Engineered Composites 美国地区技术总监 Mike Gruskiewicz 解释说。 “随着我们继续致力于回收利用，我们看到在 SMC 制造中加入可再生和回收成分的许多好处，从而为生命周期前端的循环经济做出贡献。当我们开始寻找绿色解决方案时，我们设定了与石油基 SMC 相比在性能、可塑性和美观性方面零妥协的目标。”

该公司提供两种新型可持续 SMC 产品，均具有阻燃性能。 “Premi-Glas 7001 等级产生 A 级可涂漆表面轮廓，使拖拉机引擎盖达到与高级汽车相当的美感，并为恶劣的 ag 环境添加阻燃方面，而 Premi-Glas 3501 提供模内颜色，旨在用于电气外壳、支架和外壳以及驾驶室组件等零件，”Gruskiewicz 解释说。此外，3501 还包含可回收的热塑性塑料成分，以加强其可持续性足迹。在这两种情况下，树脂的丙二醇单体都是使用大豆或玉米生产的，据说其性能与由传统石油产品制成的单体相同。 3501 等级包括工业后回收物 (PIR) 聚对苯二甲酸乙二醇酯 (rPET)，它经过化学消化生成对苯二甲酸，然后反应回聚酯树脂。尽管尚未宣布任何商业应用，但 Gruskiewicz 表示 7001 等级已经在用于拖拉机引擎盖、组合车门和车身面板的样品中。 “SMC 的另一个令人兴奋的领域涉及大型柴油发动机的阀盖以及油底壳 [pans]，”他补充道。 “与从 SMC 转换为热塑性塑料的乘用车上的类似部件相比，我们看到 ag 中的操作条件要严苛得多。例如，在较大的发动机上，由于较大的发动机跨度较大，因此需要更硬的材料。”

满足破碎载荷

农业设备行业面临的一项挑战是复合材料必须在高达 9,000 公斤的负载下保持机械性能。例如，一级模塑商 Plastics Unlimited（美国爱荷华州普雷斯顿）开发了一种称为无工具工程复合材料 (TEC) 的模塑技术，该技术已用于生产 1.5 x 2.1 米的门襟/加长门承载高达 9,072 公斤的负载，适用于标称壁厚为 6.4 至 12.7 毫米的大型联合收割机。 TEC 将热塑性塑料的高美观性和耐用性与复合材料的强度、韧性和尺寸稳定性相结合，生产出具有 A 级表面和 B 侧的结构，具有高刚度和强度重量比。外观 A 面是通过热成型一块 MIC 丙烯腈丁二烯苯乙烯 (ABS) 制成的，随后它成为零件 B 面一半的工具，尽管对于这些更大、更复杂的结构，使用第二个复合工具在成型过程中。后者是一种真空袋装复合材料，使用 UP 树脂注入短切玻璃纤维芯的缝合层中。金属支架和大肋（由硬质聚氨酯泡沫制成）都可以在铺设过程中插入复合材料。

结果是紫外线稳定、耐腐蚀的部件提供了设计灵活性和高冲击强度，以合理的成本抵抗碎裂和开裂。 A 面（热塑性塑料层）可以提供粒状或闪亮的表面（后者为纯色或透明图案，包括金属、铬、木材、迷彩甚至碳网）。据说这种热塑性层可提供出色的图像深度，并且比涂漆或凝胶涂层的 SMC 更耐用，可以擦掉轻微的表面划痕。非外观B面（复合层）有色且光滑。除了联合收割机上的高性能谷物扩展门外，TEC 工艺还用于为各种小型休闲车和农用设备模制挡泥板、侧护板、引擎盖和前后罩。

农业设备的未来是什么？ 2016 年在美国爱荷华州布恩举行的农场进步展上，凯斯纽荷兰 (CNH) 展示了业界首个全自动拖拉机概念 可以种植、喷洒和收割，并且人类不再从船上操作车辆，而是在拖拉机行驶预先绘制的导航路线时通过平板电脑远程控制和监控无人驾驶设备。这些无人机拖拉机配备了机载摄像头，可提供实时视图和先进的障碍物检测，可以提醒操作员注意障碍物和其他问题，让操作员选择最佳路线来避免或解决问题。据说该系统的软件会自动绘制最有效的田间通行证，以帮助农民充分利用狭窄的天气窗口或在需要提高生产力时全天候工作，同时收集数据以监测当前作物并更好地规划未来作物。 CNH 表示，这项技术将帮助世界许多地方的农民在使用高峰期难以找到熟练的劳动力。中间设备可能会将带驾驶室的机器与传统的驱动能力和一定程度的自动化结合起来。

奥尔森补充说：“农业的基本目标并没有改变，即为世界提供食物、燃料和衣服。” “然而，技术——包括生物技术的各个方面以及智能系统解决方案所需的材料——已经加速应对为快速增长的人口提供食物的生产力挑战。农民一直是土地的管家，因此自然资源的可持续性是我们作为一个行业、社区和世界取得成功的关键。”