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【行业动态】聚丙烯自增强复合材料技术产业发展现状
来源: 时间: 2020-02-14 浏览: 828

早在1975年,英国利兹大学的Capiati和Porter首次提出单聚合物复合材料(也称之为自增强复合材料)的概念。

聚丙烯纤维增强聚丙烯基复合材料是一种自增强热塑性复合材料,简称为All-PP。它独特的自增强结构在各向同性的聚合物和纤维增强复合材料间建立了桥梁,既轻质、可真正循环回收利于环保,又具有良好的力学性能和优异的低温抗冲击强度,既继承了传统纤维增强热塑性复合材料的优点,又纠正它们的不足,很好地解决了目前复合材料行业存在的性能、环保和价格问题,有很大发展前景,其特点及优势主要包括以下方面:

(1)轻质:All-PP密度低,相对密度为0.95左右,几乎低于所有的塑料;

(2)可回收利用:由于材料中没有第二种组分,所以可以实现100%的回收,且加工过程对人体无害,绿色环保; 

(3)机械性能高:强度高,突出的抗冲击性和抗低温冲击性;

(4)耐磨损:All-PP硬度高,耐磨损程度超过传统的热塑性塑料和纤维增强复合材料;

(5)易处理:All-PP轻柔,无皮肤不适,对模具和切割刀具磨损也小;

(6)易成型:All-PP冲压成型方便,延展性较好,甚至在高拉伸区也有较好的纤维分布,低压生产,设备投资低,能量消耗低;

(7)生产周期缩短:All-PP生产周期低于60秒甚至更低;

(8)低成本:All-PP的生产成本为GMT(Glass Mat Reinforced Thermoplastics)的2倍,但可减轻重量,且制造成本更低,通常无需后处理(打磨喷涂),整体而言,成本相当。

  GMT因其突出的可冲韧性、制备工艺短、比强度高、可回收再利用等优点,成为最受宠的“21世纪绿色复合材料”,全世界生产GMT的主要厂商主要集中在美国、日本、德国等发达国家。美、日、德、法、韩等各国的汽车均大量应用GMT制作零部件。而All-PP已成为GMT的强有力竞争对手,其性能对比如表1。

表1 聚丙烯自增强复合材料(All-PP)与玻璃毡片增强热塑性塑料(GMT)性能对比

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2002年1月,由英国Leeds大学研发,由英国BP Amoco公司在德国Gronau工厂(图1)规模化生产,商品名为Curv®,年生产能力5000T,厚度0.3~3.0mm,最大宽幅1360mm,生产线如如图2。耐克公司将Curv®材料应用于生产最具人性化能量消耗考虑的系列运动护膝上。同时有许多家制造冲浪板的厂商采用Curv®材料生产风筝式冲浪板。奔驰汽车采用Curv通过热成型制作汽车底盘护板;一家音响公司已用Curv®制成扩音锥面,如图3。

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图1 德国生产聚丙烯自增强复合材料CURV的工厂

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图2 德国生产聚丙烯自增强复合材料CURV生产线

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图3 聚丙烯自增强复合材料CURV材质产品

其中,最为著名和成功应用CURV的,还是Samsonite(新秀丽),一个世界著名的箱包品牌,其创新性的采用聚丙烯自增强复合材料Curv®开发的Cosmolite系列旅行箱,获得2010年“红点设计奖”最佳设计奖,其生产的每只Curv®材料产品都会打上“MADEIN EUROPE”的标志,由其产品在国际市场的唯一性和特殊性,取得巨大成功。

另一派系,由荷兰Eindhoven大学、英国伦敦大学Queen Mary学院以及4家荷兰公司Lankhorst-Indutech、BW、Polynorm和DSM组成研究小组共同开发的All-PP,于2002年初,由Lankhorst/Indutech公司实现了规模化生产,商品名Pure®。在法国巴黎JEC2003展会上,Lankhorst/Indutech公司就展出了Pure®产品。在2019年的JEC展上,荷兰Delft热塑性复合材料公司(DTC)展出用Pure®材料制作的头盔和行李箱,如图4。

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图4 2019法国巴黎JEC展聚丙烯自增强复合材料PURE材质产品

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图5是意大利知名箱包品牌RONCATO用Pure制造的行李箱

但是,很可惜,成功并没有得到如期的复制,最大的问题出在PURE材料本身,纤维和基体的粘合界面强度不够,轮座处形状极其复杂,在快速冲下,材料内部发生分层,虽然表面肉眼无法发现,但是其表现很明显,在轮角处材料变得很软,起不到支撑作用,材料内部损伤严重,使用中轮子甚至会像乌龟脑袋一样,缩到壳子里去,另外,此处的褶皱非常明显,图6,成型技术不成熟。

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图6 采用聚丙烯自增强复合材料PURE行李箱轮座处

国外针对All-PP的产业大体就这两派,一开始的时候,两家为该项技术的专利问题有过官司,下图7。

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其它一些品牌采用的台湾的板材存在同样的问题,与CURV和PURE相比,不可相提并论。对于All-PP的技术研究,世界各地著名高校很多,不一一列举,直到2019年仍然还有相关的高水平文章发表。但是,仍然还有很多科学问题没有得到解决。

反观国内,在2002年刚出现的时候,国内专家有过关注,写了好几个报道,但几乎没有人关注,相关研究非常少。泰安石英复合材料有限公司历经三年苦心经营,目前,聚丙烯自增强复合材料板材生产,制品生产均已稳定批量生产。并与多个国内外知名箱包品牌合作,爱可乐(Echolac),德国TITAN,日本ACE等,并正在规划全球分片区的独家品牌授权。公司生产的板材厚度范围为0.5mm-3mm,板材最大尺寸为1.2m×2.0m,如图8。

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图8 泰安石英复合材料有限公司生产制造的聚丙烯自增强复合材料(All-PP)板材

        在All-PP产品成型制造方面,泰安石英复合材料有限公司基本解决了All-PP热冲压过程中纤维断裂,褶皱,分层等多个关键技术问题,如图9。公司目前正在对连续快速冲压生产线进行升级,进一步提高自动化水平,提高生产效率,成型时间有望控制在2分钟以内。

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图9 泰安石英复合材料有限公司制造的聚丙烯自增强复合材料(All-PP)制品细节

   泰安石英复合材料有限公司开发的聚丙烯自增强复合材料及其成型技术获得2019年中国复合材料学会科技成果,图10。自主生产制造的聚丙烯自增强复合材料行李箱产品,通过号称世界上最结实的行李箱的国际知名品牌TUMI最严格的负重滚筒测试。基于现有的技术基础上,正在开发更多更广的应用领域,例如单兵装备,体育器材,运动防护等方面。

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图10 泰安石英复合材料有限公司荣获2019年中国复合材料学会成果证书

以PP为基体的自增强型热塑性塑料兼具有通用商品化聚合物和纤维增强型复合材料的优点,同时又克服了它们各自的缺陷。另外,这种新材料具有极好的抗冲击性能,尤其是在低温条件下。以其优秀的综合平衡性能,将开辟全新的应用领域,解决目前面临的各种问题,其优势和应用价值已在众多应用领域得到证实。随着环境保护意识的提升、绿色环保材料的大力提倡、资源短缺的加剧,单聚合物复合材料在熔融可回收方面有着极大的优势和发展前景,对这种新一代的热塑性塑料将广泛供应市场,造福人类社会。

东华大学潘利剑副教授供稿(原创 )

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