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專題報告

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連續纖維增強熱塑性復合材料專利布局情況和市場最新發展


引言




連續纖維增強熱塑性復合材料(以下簡稱“連續纖維熱塑復材”)可以長期保存,綜合性能優異,成型適應性廣,生產效率高,制品可重復加工再生利用,所以在20世紀70年代初開發出來以后研究就十分活躍。國內從20世紀80年代后期也開始了連續纖維熱塑復材的研究。

連續纖維增強熱塑性復合材料專利布局情況和市場最新發展


1.連續纖維熱塑復材概述


纖維增強熱塑性材料主要分為短纖(2?4mm)增強熱塑性材料、長纖(12?24mm)增強熱塑性材料、纖維氈增強熱塑性材料、連續纖維增強熱塑性材料和熱塑性復合材料芯板。其中,短纖增強熱塑性材料因其強度較差,不能滿足結構材料的性能要求,所以發展出了長纖增強熱塑性材料;而連續纖維對熱塑性材料的增強效果比短纖和長纖更好,大幅提升了機械性能和耐疲勞性能,所以近年來研究活躍。連續纖維熱塑復材早期主要著重于航天和軍事的應用,從2003年開始逐步應用于汽車材料、運動器材、建筑等行業。隨著汽車、電子電器等行業的發展,連續纖維熱塑復材的需求也會越來越大,因此加快連續纖維熱塑復材的研制和推廣具有重要意義。

相比于熱固性材料,熱塑性材料不需要經過交聯和固化,可以多次加工成型,且成型工藝更為便捷高效,所以熱塑性材料近年來一直保持穩定持續發展,尤其是纖維增強熱塑性材料。纖維增強熱塑性材料的基體樹脂可采用聚丙烯、聚酰胺、聚酯等熱塑性材料,纖維可采用玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等,其中又以玻璃纖維較為常用。

連續纖維熱塑復材的主要制備技術

(1) 溶液浸漬技術

選用合適的溶劑溶解樹脂基體,制備成溶液,然后用這種溶液浸漬碳纖維束,通過烘干使溶劑揮發,最后壓實制得預浸料。不過這種方法有一定的局限性,不是所有的熱塑性基體都能溶于有機溶劑。

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(2)懸浮浸漬技術

先把樹脂粉末制成懸浮液,纖維絲束浸泡在懸浮液里和樹脂充分浸漬,然后經過烘箱烘干并使樹脂屬于熔融狀態,再進入熱壓輥壓制和冷卻即可制成預浸帶。

(3)粉末浸漬技術

將碳纖維絲束展寬展薄;然后通過一個充滿了 10μm 的微小粉末的靜電流化床,使樹脂粉末均勻地涂覆在纖維表面,經過烘箱加熱以及熱壓輥壓延使樹脂充分浸潤纖維,從而得到熱塑性片材。

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(4)熔融浸漬法

連續碳纖維放在紗架后,經過輥輪調節使其受力均勻地進入分絲系統,在這個系統中,碳纖維經過展開輥和預熱后充分展開后進入浸漬系統中,在高溫高壓下,熔融的熱塑性樹脂滲入并浸潤碳纖維,待定型后再牽引收卷得到連續碳纖維增強熱塑性預浸帶。

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其中技術(1)?(3)由于生產工藝、生產成本、生產效率等原因限制了其在工業生產中的廣泛應用。熔融浸漬法是纖維束通過設計的浸漬模具,在一定的張力作用下從在熔融狀態下的樹脂中拉出而被浸漬。該方法成型工藝簡單,無環境污染,最具工業化前景。


2. 連續纖維熱塑復材有關專利布局*



據圖1不完全統計,2013至2022年連續纖維復材相關專利申請數量逐年遞增,自2020年起,授權量迅速增長,年授權專利數量逼近年專利申請量,體現出國家在該領域知識產權工作的高度重視。


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其中,連續纖維熱塑復材的專利布局情況如圖2所示。2020年,行業整體受到疫情影響,創新步伐停滯。但隨著生產生活的穩步恢復,基于物流行業的迫切需要,以及行業低碳探索和對新材料領域的關注。最終,國內連續纖維熱塑復材專利申請量在次年恢復到19年水平,在2022年授權量也實現新高。


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從圖3國內連續纖維專利中熱塑性材料專利占比情況來看,連續纖維熱塑復材還在起步期,發展速度較慢,熱固性材料仍然占據主流地位。


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圖4將國內連續纖維熱塑復材的專利公布數量和美國做了對比。可以看出兩國目前差距顯著。美國專利局申請人靠前的公司中,有3M、東麗、伊士曼化學公司、連續復合材料公司等材料化或工企業、航空領域的波音公司、,體育用品行業的泰勒高爾夫球公司,能源行業的通用電氣,以及日化行業的大量企業,如金伯利-克拉克全球公司、寶潔公司。


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3.連續纖維熱塑福彩最新進展



連續纖維熱塑復材在航空航天領域、軍事領域、汽車材料、運動器材、建筑材料或電子電器中有著廣泛的應用。

Pipelife Nederland B.V為了使原有的柔性熱塑性塑料管能承受高壓,并解決工作生產中鋼管容易被腐蝕的問題,與殼牌、DNV、帝人、阿克蘇諾貝爾合作,向熱塑性柔性管中加入了增強相,因此得名“增強熱塑性塑料管”。如圖3所示,從左至右分別是該公司研發的碳纖維、芳綸纖維增強PE管以及帶有鋁膜具有氣密特性的增強熱塑性復合管材。

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近年來,旭化成將重點展示其用于輕質、緊湊和安全電動汽車電池解決方案的各種材料。公司目前正在開發一種新型連續玻璃纖維增強熱塑性塑料LENCEN該復合材料由連續玻璃纖維織物層與聚酰胺66 (PA66) 薄膜堆疊而成。由于這種材料具有拉伸強度、高耐熱性和類似金屬的抗沖擊特性,因此可以提高電動汽車電池的碰撞安全性并減輕其重量。



4.結語



雖然連續纖維熱塑復材有著良好的發展前景,但目前仍處在發展初期階段,技術成熟度和標準化程度不高。譬如,市場上大部分熱塑性材料的基體樹脂不能滿足加工要求,從而限制了基體樹脂在連續纖維增強復合材料中的應用。企業還需要加快研究步伐,跟上國際發展的腳步。


*注:由于專利申請延遲公開,數據庫收錄時滯等原因,專利申請量可能低于實際情況,故2023年的數據不在本報告的統計范圍內。

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯,部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的,僅供行業人士交流。

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