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纖維基增強(qiáng)材料廣泛用于塑料改性，它提供了一種有效且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的方法來改變強(qiáng)度和剛度等性能特性。其中，玻璃纖維仍然是用于聚合物增強(qiáng)的重要、廣泛的纖維，但其他纖維也會被使用。隨著成本下降和可回收牌號越來越多，碳纖維被越來越多地用于輕質(zhì)熱塑性材料的改性。雖然大多數(shù)改性使用短纖維或長纖維增強(qiáng)材料，但非纖維類型，例如實(shí)心或空心玻璃珠，也正在出現(xiàn)。
玻纖的發(fā)展
巨石公司近開發(fā)了一種超高模量玻璃纖維，其模量為100 GPa，而普通E纖維為70-75Gpa。 該公司表示，E9玻璃纖維采用先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)，顯著提高了性價比。該公司表示，預(yù)計(jì)E9玻璃纖維將為風(fēng)電、基礎(chǔ)設(shè)施、交通、航空航天等高端應(yīng)用領(lǐng)域以及光纜加固、耐溫材料和運(yùn)動器材等領(lǐng)域提供新的解決方案。
與此同時，玻璃纖維制造商約翰斯曼維爾（Johns Manville）在其位于斯洛伐克Trnava的工程產(chǎn)品工廠建立了一個廢玻璃纖維熱回收裝置。“這項(xiàng)投資的主要目標(biāo)是通過大幅減少玻璃纖維廢物的填埋來實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的切實(shí)積極影響，”該公司歐洲/亞洲環(huán)境、健康和安全經(jīng)理 Elena Hrivikova 說。“這個項(xiàng)目是我們對歐盟委員會零廢物計(jì)劃的響應(yīng)行動之一，也是我們對地球自然資源可持續(xù)管理的總體目標(biāo)。”
Trnava 裝置的預(yù)計(jì)回收能力每小時超過三噸，包括一個倉儲區(qū)、進(jìn)料和輸送設(shè)備、粉碎機(jī)、燃燒室和碾磨機(jī)。加工后，回收的玻璃粉末不含有機(jī)顆粒，可作為原材料重新引入現(xiàn)場玻璃生產(chǎn)過程。該公司估計(jì)該項(xiàng)目每年將避免垃圾填埋場產(chǎn)生一萬多噸垃圾。
“我們已投資近 1000 萬歐元用于先進(jìn)的技術(shù)，并確保回收能力將使特爾納瓦的玻璃纖維產(chǎn)能進(jìn)一步增長，”JM 工程產(chǎn)品業(yè)務(wù)運(yùn)營總監(jiān) Martin Nywlt 說。
中空球
中鋼馬鞍山新材料科技有限公司開發(fā)了一系列中空玻璃微珠，用作需要更高機(jī)械性能的改性材料的低密度添加劑，用于船舶、航空航天和汽車結(jié)構(gòu)部件。
例如，該公司的 T40 級硼硅酸鹽中空玻璃微珠被描述為具有高抗壓強(qiáng)度的輕質(zhì)低導(dǎo)熱增強(qiáng)添加劑。據(jù)說它們可以提高 PA6 改性料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和硬度，并提高硬質(zhì) PVC 的尺寸穩(wěn)定性和耐熱性。用于 ABS 改性，可以提高尺寸穩(wěn)定性并減少收縮。應(yīng)用包括軸承、相機(jī)組件、管道、電視柜和汽車零件。
使用中空玻璃微珠時必須小心。該公司表示，它們可能會被復(fù)合和注塑成型等過程中產(chǎn)生的高剪切力和壓力壓碎。抗壓強(qiáng)度與體積密度有關(guān)：體積密度為 0.125 g/ml 的玻璃球的抗壓強(qiáng)度為 250 psi (1.8 MPa)；密度為0.60 g/ml的球體在18000 psi (124 MPa) 左右。中鋼表示，其空心玻璃微珠的直徑范圍為 11-18 微米，抗壓強(qiáng)度為 8000-10000 psi (55-69 MPa)，具體取決于牌號。
據(jù)該公司稱，其空心微珠可以在雙螺桿或捏合擠出機(jī)上成功加入，建議后段進(jìn)料，以便將微珠引入熔融聚合物中，并表示螺桿的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少剪切，不推薦捏合塊。它說，短纖維喂料斗通常也適合添加微珠，螺旋類型的能提供穩(wěn)定的喂料。其他建議包括使用真空排氣和水下造粒設(shè)備。
纖維替代
去年，Mafic 在美國北卡羅來納州謝爾比的據(jù)稱是上大的玄武巖纖維工廠開始運(yùn)營。該工廠是北美家，投資 2000 萬美元，每年能夠生產(chǎn) 6000 噸玄武巖纖維，相當(dāng)于目前玄武巖纖維產(chǎn)量的近 30%。
玄武巖纖維是一種拉制的連續(xù)礦物纖維。它由開采的玄武巖制成，先經(jīng)過清洗，然后將其放入約 1500°C 的熔爐中變成熔體，然后通過金屬糊化擠出形成單獨(dú)的細(xì)絲。離開套管時，纖維長絲會變硬，并在與其他成品纖維纏繞以形成股線之前施加上漿劑以改善其性能。
據(jù) Mafic 稱，玄武巖纖維由于其輕量化潛力和低成本，非常適合用作聚合物復(fù)合材料中的增強(qiáng)添加劑，用于汽車等應(yīng)用。它可作為長度為 3 至 96 毫米的短纖維供貨，并可提供適用于 PE、PP 和 PA 的上漿劑。該公司還提供預(yù)混合的 PP-LFT 化合物。
芳綸纖維具有低密度/高拉伸強(qiáng)度比，使其適用于各種聚合物增強(qiáng)應(yīng)用。一段時間以來，帝人芳綸一直在與許多合作伙伴合作開展以可持續(xù)發(fā)展為重點(diǎn)的試點(diǎn)項(xiàng)目，以利用可再生生物基材料開發(fā)高性能 Twaron 芳綸纖維。該試點(diǎn)項(xiàng)目表明，在不改變所得 Twaron 芳綸紗線的材料特性的情況下，可以減少生產(chǎn)過程對環(huán)境的影響（該公司在荷蘭的一家工廠生產(chǎn)其 Twaron 超高強(qiáng)度對位芳綸纖維）。
碳纖維發(fā)展
東麗公司（Toray Industries） 的新開發(fā)成果是一種高拉伸模量碳纖維，它計(jì)劃在未來幾年內(nèi)將其作為纖維和用于注塑成型的熱塑性顆粒進(jìn)行商業(yè)化。
東麗目前的產(chǎn)品線包括用于壓力容器、航空航天、汽車和其他工業(yè)應(yīng)用的Torayca T系列高強(qiáng)度碳纖維和 Torayca T1100G 碳纖維，其拉伸強(qiáng)度為 7.0GPa，拉伸彈性模量為320GPa。2018 年，它將Torayca M40X 商業(yè)化，以擴(kuò)大碳纖維在高端運(yùn)動設(shè)備和航空航天結(jié)構(gòu)方面的潛力。據(jù)說這是使用納米級纖維結(jié)構(gòu)控制來平衡5.7GPa的拉伸強(qiáng)度和377GPa的拉伸模量。然而，5.0 微米的纖維直徑限制了生產(chǎn)效率，這使得成本成為一個問題。
東麗通過優(yōu)化Torayca MX 系列控制技術(shù)來制造具有均勻內(nèi)部結(jié)構(gòu)的7.0 微米纖維，從而在新開發(fā)中解決了這個問題。這也增加了纖維的拉伸彈性模量，達(dá)到390GPa，比Torayca工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)水平高約70%，并提供更好的性價比。
該公司表示，與傳統(tǒng)的高拉伸模量產(chǎn)品相比，采用新開發(fā)的碳纖維的熱塑性顆粒在成型后可保持更長的纖維長度。因此，顆粒可以生產(chǎn)拉伸模量高達(dá) 41GPa 和比重為 1.4 的零件（可媲美鎂合金的 45GPa 和比重為 1.8）。它聲稱使用顆粒制造復(fù)雜的注塑成型零件可以提高生產(chǎn)率并顯著減輕重量。
報告稱，歐洲對用于電子和醫(yī)療應(yīng)用的碳增強(qiáng)材料的需求不斷增長，總部位于德國的帝人碳素歐洲公司已將其短切碳纖維Tenax-E HT C604 6mm牌號的產(chǎn)能提高了40%。該公司表示，近年來對C604牌號的需求顯著增加，它表示該牌號能夠生產(chǎn)具有良好機(jī)械性能和導(dǎo)電性的高級材料。直到近，帝人在日本的三島工廠該牌號的產(chǎn)能才能滿足歐洲的需求。德國產(chǎn)能的增加意味著它現(xiàn)在可以更靈活地應(yīng)對當(dāng)?shù)乜蛻舻男枨蟆Ｆ渌鸗enax短纖維產(chǎn)品的切碎、造粒或碾磨在日本和美國的工廠生產(chǎn)。它們有多種尺寸可供選擇。
去年，Zoltek 發(fā)布了為福特開發(fā)的發(fā)動機(jī)罩的詳細(xì)信息，該發(fā)動機(jī)罩使用 PA66 化合物中的 Zoltek PX35 碳纖維，比原來使用鋁時減輕了 24% 的重量，并通過螺栓接口、連接點(diǎn)處的螺紋插件和 RTV 密封件在所有地方加入了負(fù)載限制器。PX35 短切纖維經(jīng)常與工程熱塑性塑料（如 PC、PA）和高溫?zé)崴苄詷渲ㄈ?PEEK 和 PEI）混合。據(jù)說短切纖維具有高堆積密度值，這使得喂料更加穩(wěn)定，并且在復(fù)合過程中易于分布。
復(fù)合式注塑
德國的 Koller Kunststofftechnik 于去年年底開始為一款未公開的寶馬車型生產(chǎn)骨架注塑擋風(fēng)玻璃框架，使用由 SGL Carbon 提供的熱塑性浸漬碳纖維增強(qiáng)型材。型材將由 SGL 在其位于奧地利因克萊斯（ Innkreis）的工廠使用其50k碳纖維生產(chǎn)，隨后由 Koller 使用混合注塑技術(shù)加工成擋風(fēng)玻璃組件。
熱塑性復(fù)合材料部件是一種結(jié)構(gòu)部件，它將取代傳統(tǒng)的鋼元件作為車頂框架之間的連接元件并提供穩(wěn)定功能。碳纖維型材為零件增加了所需的剛度和碰撞安全性，同時有助于減輕車頂?shù)闹亓俊Ｔ趯汃R的車型中，該部件將減輕相對于鋼制設(shè)計(jì)的40%的重量。
巴斯夫 Ultramid Advanced 聚鄰苯二甲酰胺 (PPA) 產(chǎn)品家族的新成員包括具有20%、30%和40% 增強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)牌號。該公司表示，新材料將能夠生產(chǎn)輕質(zhì)部件，可以安全地替代鋁和鎂，而不會損失剛度和強(qiáng)度。它們也是導(dǎo)電的。這些材料基于巴斯夫的 Ultramid Advanced N (PA9T)，由于吸水率低、耐化學(xué)性和水解性好、強(qiáng)度和模量高，因此具有高尺寸穩(wěn)定性。
據(jù)巴斯夫稱，與鎂或鋁相比，具有40%碳纖維增強(qiáng)材料的Ultramid Advanced N3HC8等級在80°C（調(diào)濕后）顯示出更好的強(qiáng)度和模量。在120°C下加熱老化5000小時或在150°C下加熱老化3000小時后，它還能保持近100%的拉伸模量。
“我們采用碳纖維的新型PPA化合物是理想的金屬替代品，”巴斯夫PPA業(yè)務(wù)管理部門的Michael Pilarski 說。“這不僅僅是從材料特性的角度來看。用鎂或鋁生產(chǎn)零件還需要額外的后處理和加工，這會增加系統(tǒng)成本。鑒于我們的新PPA等級有機(jī)會減輕25-30%的重量，我們可以為傳統(tǒng)上由金屬制造的零件提供安全、經(jīng)濟(jì)高效和高性能的替代品。”
該公司還強(qiáng)調(diào)了與玻璃纖維增強(qiáng)PA相比，新型碳纖維增強(qiáng) PPA 化合物在重量和拉伸模量方面的優(yōu)勢。用 20%（重量比例）碳纖維增強(qiáng)的PPA等級比用50%玻璃纖維填充的PA6或PA66 輕約20%；20%碳纖維增強(qiáng)Ultramid Advanced復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度優(yōu)于或等同于50%玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺，并且加工更容易。
新的碳纖維增強(qiáng)Ultramid Advanced牌號預(yù)計(jì)將應(yīng)用于車身、底盤和動力系統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)部件，工業(yè)應(yīng)用中的泵、風(fēng)扇、齒輪和壓縮機(jī)，以及消費(fèi)電子產(chǎn)品中的超輕量部件。
回收行動
不久前，比利時的Procotex Corporation收購了位于英國但隸屬于德國 Haniel 集團(tuán)的ELG Carbon Fibre 的再生短碳纖維業(yè)務(wù)。Procotex將繼續(xù)為ELG客戶提供服務(wù)，并表示不會中斷業(yè)務(wù)。該公司表示，此次收購補(bǔ)充了其在法國的Apply Carbon子公司現(xiàn)有的碳纖維業(yè)務(wù)。ELG將繼續(xù)其回收長碳纖維的活動。
總部位于德國的Romira是使用再生碳纖維的改性企業(yè)名單中的新成員，推出了一系列高強(qiáng)度和輕質(zhì)聚酰胺化合物。該公司表示，其再加工碳纖維 (rp-CF) 是由的碳纖維制造商提供的殘余切屑/邊角料生產(chǎn)的。它聲稱，由于纖維是原始質(zhì)量，因此它們提供了均質(zhì)的特性，因此不會因混合纖維類型而導(dǎo)致特性波動。與主要碳纖維相比，使用rp-CF還可以減少90%的二氧化碳排放量。