運輸工具的輕量化發展趨勢促使複合材料被大量應用在其中. 但是, 車用部件要求大量且快速的生產, 傳統使用熱固性樹脂的複合材料很難配合, 熱固性複材固化成型時間長, 模塑成本高, 成為了運輸工具行業導入複合材料的一大瓶頸.
相對熱固性樹脂而言, 熱塑性複合材料具有許多先天的優勢: 可快速塑形生產, 預浸料不需低溫即可長時間保存, 可重複加熱塑形藉以降低不良品的發生, 製品可回收再利用等. 這些優勢對於大批量生產的部件來說, 最能符合成本效益. 使用單向連續碳纖維或編織布浸潤的熱塑性複材, 其纖維長度長, 分布具方向性, 能夠設計複合材料需要的結構強度, 滿足設計應用的要求, 連續纖維增強熱塑性複合材料, 已經發展成為在新能源車取代金屬應用的全球趨勢.
現今, 熱塑連續碳纖維複合材料的生產工藝主要問題點在於商品化碳纖維表面處理均以熱固性樹脂為目標, 此種碳纖維與熱塑性樹脂接著界面強度普遍不足, 甚至含浸不良. 其中界面強度不足必須在碳纖維表面改性, 或塗布浸潤劑加以克服, 或將碳纖維燒制後, 施以電化學濕式或是電漿乾式處理, 使纖維表面生成有限的官能基, 再塗覆浸潤劑, 增加此官能基與樹脂基材鍵接, 從而增強界面強度並幫助含浸.
在眾多熱塑樹脂基材中, 聚丙烯(PP, Polypropylene) 容易取得, 機械性能佳, 耐候, 耐化性優良, 廣泛運用於車用材料. 然而, 聚丙烯化學結構中並無官能基, 這成為商業化生產連續碳纖維增強聚丙烯複合材料最大障礙.
近日 '聚創新材料公司' 的研發團隊, 在熱塑型碳纖維浸潤劑有了新的突破. 新的熱塑型浸潤劑配方中添加了特殊的偶聯劑, 一側可有效與常規碳纖維表面產生化學接枝, 另一側可與聚丙烯樹脂產生良好鍵結. 藉由這個新配方牢牢結合纖維與樹脂兩邊, 發揮複合材料一加一大於二的複合效果.
新的熱塑型浸潤劑另一個主要用途在於提供碳纖維紗束良好的保護與加工性能, 例如: 纖維的集束性與抗磨擦毛羽性變得更好. 聚創新材料公司研發出的潤滑劑, 適當比例添加於浸潤劑配方中, 便可加強對碳纖維的保護, 減少後製程中斷絲停工的發生機率.
研究團隊更發現可以在不去除原有纖維表面浸潤劑的情形下, 直接浸塗新的浸潤劑也能達到增強性能的效果. 為驗證此種假設, 聚創與科森複合材料公司以商品級3k T300 平紋布含浸聚丙烯樹脂, 壓制板材進行三點抗彎實驗測試新浸潤劑的效能. 實驗結果證實新型熱塑性浸潤劑的良好效果. 圖一斷面破壞電子顯微放大圖, 我們可以看出浸潤劑在纖維表面形成一個相當好的界面, 碳纖維聚丙烯複合材料在抗曲測試破壞後, 樹脂仍緊緊包覆住纖維.
這個實驗結果證實, 以未去漿處理的碳纖維布直接浸泡聚創新型浸潤劑制板, 其斷裂應力強度較未處理之試片能有效提高146%.
'水性碳纖維浸潤劑符合科森公司環保的要求, 讓我們在加工上更安全. 使用浸潤劑處理後製成的熱塑碳纖維材料, 具有良好的機械性能, 為複材在汽車輕量化的應用開啟了更多商機. ' 科森複合材料總經理Dr.Szesu Soong 提到.
'我們研發的水性浸潤劑能有效將碳纖維與聚丙烯(PP) 樹脂結合, 提高複合材料的強度. ' 聚創新材料總經理Rick Chen 表示, '藉由浸潤劑增強後的碳纖維與樹脂結合後, 我們不僅可以調整纖維的加工性能, 更能提高複材的機械錶現. '
隨著市場對製品越來越要求強度高與重量輕, 碳纖維複合材料無疑將更廣泛的被應用. 熱塑性碳纖維複合材料具有的種種優勢, 尤其可快速成型又可環保回收, 勢必能成為應用發展的趨勢. 透過新型熱塑性碳纖維浸潤劑強化後的碳纖維製品, 不僅能提高複合材料的性能, 更能代替傳統材料, 為運輸, 航空, 能源, 醫療與休閑運動等領域開發出更多可能.