运输工具的轻量化发展趋势促使复合材料被大量应用在其中. 但是, 车用部件要求大量且快速的生产, 传统使用热固性树脂的复合材料很难配合, 热固性复材固化成型时间长, 模塑成本高, 成为了运输工具行业导入复合材料的一大瓶颈.
相对热固性树脂而言, 热塑性复合材料具有许多先天的优势: 可快速塑形生产, 预浸料不需低温即可长时间保存, 可重复加热塑形藉以降低不良品的发生, 制品可回收再利用等. 这些优势对于大批量生产的部件来说, 最能符合成本效益. 使用单向连续碳纤维或编织布浸润的热塑性复材, 其纤维长度长, 分布具方向性, 能够设计复合材料需要的结构强度, 满足设计应用的要求, 连续纤维增强热塑性复合材料, 已经发展成为在新能源车取代金属应用的全球趋势.
现今, 热塑连续碳纤维复合材料的生产工艺主要问题点在于商品化碳纤维表面处理均以热固性树脂为目标, 此种碳纤维与热塑性树脂接着界面强度普遍不足, 甚至含浸不良. 其中界面强度不足必须在碳纤维表面改性, 或涂布浸润剂加以克服, 或将碳纤维烧制后, 施以电化学湿式或是电浆干式处理, 使纤维表面生成有限的官能基, 再涂覆浸润剂, 增加此官能基与树脂基材键接, 从而增强界面强度并帮助含浸.
在众多热塑树脂基材中, 聚丙烯(PP, Polypropylene) 容易取得, 机械性能佳, 耐候, 耐化性优良, 广泛运用于车用材料. 然而, 聚丙烯化学结构中并无官能基, 这成为商业化生产连续碳纤维增强聚丙烯复合材料最大障碍.
近日 '聚创新材料公司' 的研发团队, 在热塑型碳纤维浸润剂有了新的突破. 新的热塑型浸润剂配方中添加了特殊的偶联剂, 一侧可有效与常规碳纤维表面产生化学接枝, 另一侧可与聚丙烯树脂产生良好键结. 藉由这个新配方牢牢结合纤维与树脂两边, 发挥复合材料一加一大于二的复合效果.
新的热塑型浸润剂另一个主要用途在于提供碳纤维纱束良好的保护与加工性能, 例如: 纤维的集束性与抗磨擦毛羽性变得更好. 聚创新材料公司研发出的润滑剂, 适当比例添加于浸润剂配方中, 便可加强对碳纤维的保护, 减少后制程中断丝停工的发生机率.
研究团队更发现可以在不去除原有纤维表面浸润剂的情形下, 直接浸涂新的浸润剂也能达到增强性能的效果. 为验证此种假设, 聚创与科森复合材料公司以商品级3k T300 平纹布含浸聚丙烯树脂, 压制板材进行三点抗弯实验测试新浸润剂的效能. 实验结果证实新型热塑性浸润剂的良好效果. 图一断面破坏电子显微放大图, 我们可以看出浸润剂在纤维表面形成一个相当好的界面, 碳纤维聚丙烯复合材料在抗曲测试破坏后, 树脂仍紧紧包覆住纤维.
这个实验结果证实, 以未去浆处理的碳纤维布直接浸泡聚创新型浸润剂制板, 其断裂应力强度较未处理之试片能有效提高146%.
'水性碳纤维浸润剂符合科森公司环保的要求, 让我们在加工上更安全. 使用浸润剂处理后制成的热塑碳纤维材料, 具有良好的机械性能, 为复材在汽车轻量化的应用开启了更多商机. ' 科森复合材料总经理Dr.Szesu Soong 提到.
'我们研发的水性浸润剂能有效将碳纤维与聚丙烯(PP) 树脂结合, 提高复合材料的强度. ' 聚创新材料总经理Rick Chen 表示, '藉由浸润剂增强后的碳纤维与树脂结合后, 我们不仅可以调整纤维的加工性能, 更能提高复材的机械表现. '
随着市场对制品越来越要求强度高与重量轻, 碳纤维复合材料无疑将更广泛的被应用. 热塑性碳纤维复合材料具有的种种优势, 尤其可快速成型又可环保回收, 势必能成为应用发展的趋势. 透过新型热塑性碳纤维浸润剂强化后的碳纤维制品, 不仅能提高复合材料的性能, 更能代替传统材料, 为运输, 航空, 能源, 医疗与休闲运动等领域开发出更多可能.