Этой осенью компания Johns Manville (JM, Денвер, штат Колорадо, США) планирует представить первые продукты в линейке Neomera. К ним относятся полимеризованные на месте органолисты на основе полиамида 6 (ПА6), армированного стеклотканью, но скоро линейка расширится мультиаксиальными тканями (NCF) и длинными рублеными волокнами. По данным JM, на стадии рассмотрения также находятся полимеризованные термопластичные матрицы, гибридные армирующие структуры (например, комбинированное углеродное и стекловолокно) и даже армирование нестеклянным волокном. В компании отмечают, что благодаря изготовлению этих материалов методом, отличным от применяемого для традиционных орагнолистов и длинноволоконных термопластов, продукты Neomera будут обладать улучшенными механическими свойствами при меньших затратах. Вот что мы на данный момент знаем об этих материалах.
Новый метод изготовления органолистов
Обычно органолисты на основе стекловолокна (особый вид термопласта из стекломата, армированного тканым материалом) изготавливают на основе матрицы из полипропилена или полиамида 6 или 6/6 (ПА6, ПА6/6). Органолисты чаще всего используют в основных и вспомогательных конструктивных элементах в автомобилестроении, строительстве зданий и сооружений и производстве спортивных товаров.
Органолист Neomera
Этой осенью компания Johns Manville выводит на рынок новое семейство анионно полимеризованных, армированных стекловолокном органолистов на основе полиамида 6 с более высоким объемным содержанием волокна (слева) и эффективной пропиткой (справа). Далее планируется использовать различные волокнистые наполнители — плетеные ткани, мультиаксиальные ткани и длинные рубленые волокна — из стекловолокна, стеклоуглеродного волокна и углеволокна. В качестве исходной матрицы используется мономер капролактам, полимеризованный в ПА6, но рассматриваются и другие полимеризованные термопласты. Все фотографии предоставлены компанией Johns Manville
Благодаря нескольким аспектам линейка Neomera отличается от продуктов, уже имеющихся в продаже. Во-первых, вместо пропитки волокна расплавом полностью полимеризованной полиамидной смолы, компания анионно полимеризует мономер капролактам в полиамид после стадии пропитки. Поскольку расплавленный капролактам имеет очень низкую вязкость (~5 сП), он пропитывает пучки или ткань более эффективно, чем полностью полимеризованные термопласты, которые имеют гораздо более длинные полимерные цепи и более высокую вязкость. Это означает, что реактивно полимеризованная смола по технологии JM обеспечивает более эффективное смачивание (больше схожее с жидкими реактопластами), чем это можно было бы получить с полностью полимеризованными термопластами, такими как полиамид. Это, в свою очередь, существенно сокращает пустоты и обеспечивает более высокое объемное содержание волокна (порядка 50% и больше), что само по себе улучшает механические свойства.
Во-вторых, перед пропиткой капролактамом компания JM также обрабатывает стекловолокно (рубленое, тканое, мультиаксиальные ткани) по своей собственной запатентованной технологии. Это дополнительно укрепляет связь между волокном и смолой и улучшает механические свойства при сопоставимой объемной доле волокна в сравнении с другими продуктами с таким же типом и процентным содержанием волокна и матрицы.
«Мы хотим, чтобы люди поняли, что мы представляем не еще один стандартный продукт на основе органолистов», — объясняет Минфу Чжан, руководитель научно-исследовательских работ в компании JM. “Благодаря тому, что мы начинаем с капролактама, смачивание волокон происходит гораздо легче и эффективнее, чем при использовании термопластов. В результате мы получаем улучшенную пропитку, более высокое объемное содержание волокна и улучшенные характеристики. Фактически, это позволяет нам создавать специальные продукты, которые нельзя получить традиционными методами изготовления органолистов».
В прошлом году компания JM объявила о разработке и стратегических испытаниях этой технологии. По плану первый выпуск Neomera должен был состояться в сентябре, а в следующем месяце представление технологии на отраслевой выставке CAMX 2021 (18-20 октября, Даллас, штат Техас США).
Улучшенное пропитывание и связывание
Инновационный длинноволоконный органолист отличается отличным распределением и пропитыванием волокна, а также сцеплением между волокном и смолой. На верхнем изображении показаны пучки стекловолкна, расположенные концами вперед, на нижнем изображении можно увидеть, что отдельные пучки волокон полностью покрыты смолой.
Поэтапный выход на рынок
Исходный продукт Neomera (серии OS-6) будет усилен тканым материалом. «Мы планируем выпустить линейку продуктов с саржевым переплетением и объемной долей волокна 45-50%, поскольку наблюдаем высокий спрос на такие композиты”, — отмечает Дана Милоага, ведущий специалист по выпуску продукции в компании JM. «Это сбалансированное переплетение, обладающее хорошей драпируемостью и ортотропными свойствами, поэтому инженерам, использующим в работе определенные металлы, проще создавать облегченные детали с отличными эксплуатационными характеристиками».
После тканых видов органолистов будет выпускаться серия NCF-6 с более тяжелыми мультиаксиальными тканями, пропитка которых обычными термопластами традиционно сопряжена с проблемами. И наконец, планируется выпуск серии с дискретным, но все еще длинным волокном (>25 мм). Эта линейка продуктов под названием CR-6 отличается однородной длиной волокна, что помогает поддерживать псевдоизотропные свойства. Продукты этой серии будут конкурировать с длинноволоконными термопластами, такими как термопласт, армированный стекломатом, и прямой длинноволоконный термопласт. Специалисты компании JM сообщают, что каждый продукт Neomera можно использовать самостоятельно или в сочетании с другими. Например, формуемую прессованием гибридную структуру, содержащую органолист (в виде полосы или листа) на основе тканого материала или мультиаксиальной ткани, можно использовать для усиления путей нагрузки, в то время как органолист, армированный дискретным волокном, можно использовать на участках с более сложной геометрией, таких как ребра и выступы. «Испытания показали, что наши продукты серии CR-‑6 с прерывистым волокном лучше формуются, чем традиционные термопласты с рубленым волокном», — добавляет Чжан.
Что касается производителей и изготовителей пресс-форм, новые продукты JM будут обрабатываться так же, как и традиционные органолисты и термопласты, армированные стекломатами. Требования к конструкции пресс-форм также не меняются. Единственное необходимое изменение — это предварительный нагрев и формование органолиста Neomera с матрицей ПА6 при более высокой температуре, чем обычно для полипропилена, из-за более низкой температуры плавления и формования последнего. Примечательно, что, в отличие от некоторых термопластов, армированных стекломатами, после предварительного нагрева стекловолокно не «поднимается» из-за упругого последействия, поэтому материал остается полностью уплотненным. Чжан объясняет это тем, что волокна полностью пропитаны капролактамом и, поскольку этот мономер затем полимеризуется на месте, они имеют гораздо более высокую молекулярную массу, чем традиционный органолист с полиамидной матрицей.
Исследователи JM также определяют характеристики основных материалов, чтобы помочь инженерам-проектировщикам в более точном моделировании при разработке деталей. «Мы тесно сотрудничаем с клиентами, чтобы понимать, какие данные им прежде всего необходимы для более точного моделирования», — объясняет Милоага. «Мы планируем создать структурные элементы, которые они смогут использовать на ранней стадии, поскольку полное определение характеристик материала обычно занимает 6 месяцев».
Для каждой выпускаемой линейки продуктов компания закрепляет двух мировых поставщиков, чтобы обеспечить надежную цепочку поставок, глобальный доступ и стабильное качество. На производственной линии JM в районе Денвера изготавливают опытные партии материалов для клиентов, но первое промышленное производство будет осуществляться в Трнава, Словакия.
Продукция Neomera будет выпускаться в черном цвете с возможностью выбора светло-бежевого (почти белого) цвета или других цветов по индивидуальному заказу. Сначала, по мере роста объемов производства, продукция будет изготавливаться и нарезаться на заказ, затем компания сможет предлагать стандартные размеры.
Интересно, что технология JM позволяет производить толстые листы в непрерывном процессе. «Одна из проблем, связанных с традиционными органолистами, заключается в том, что обычно производятся листы толщиной 0,5 мм, а чтобы клиент мог получить продукт толщиной 3 мм, необходимо дополнительно консолидировать несколько листов для создания слоистого материала», — объясняет Чжан. «Мы можем пропустить всю эту стадию консолидации и сразу изготовить лист толщиной 3 мм. Это один из самых уникальных аспектов нашей технологии. Мы знали, что вязкость капролактама близка к вязкости воды, но все равно были удивлены тем, насколько хорошо наша технология подходит для производства толстых слоистых материалов. Она обеспечивает универсальность, которую мы можем предложить клиентам. Кроме того, пропуская дополнительную стадию консолидации, наша продукция может не подвергаться еще одному циклу нагрева».
Сложную задачу для нас представлял контроль производственного процесса, включающего влагочувствительную анионную полимеризацию капролактама. «До того, как мы начали работать над этим проектом, анионная полимеризация капролактама в ПА6 действительно проводилась только в закрытых формах, поэтому адаптация к непрерывному процессу для получения продукции стабильного качества потребовала большой работы», — добавляет Чжан.
Izod Impact Strength (MPa) — Ударная вязкость по Изоду
CR-6 Organosheet — Органолист CR-6
D-LFT — Прямой длинноволоконный термопласт
0 degree — 0 градусов
90 degree — 90 градусов
Создание новых рыночных возможностей
Новый органолист из дискретного стекловолокна обладает не только более высокой текучестью, чем традиционные органолисты, но и улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Что дальше?
Когда Клауса Глейха, старшего научного сотрудника компании JM, спросили, почему такой поставщик стекловолокна, как компания JM, хочет производить промежуточные продукты, а не просто лицензировать технологию, он ответил: «Учитывая характер нашего производственного процесса, в действительности не так много людей смогли бы производить этот материал. Мы очень хорошо знаем все химические аспекты и проблемы, поэтому находимся в наиболее выигрышном положении, если говорить о промышленном производстве и выходе на рынок. Кроме того, наша научно-исследовательская группа специально разработала эту инновационную технологию, чтобы расширить наше предприятие и повысить ценность для владельцев бизнеса, холдинга Berkshire Hathaway [Омаха, штат Небраска, США]. Мы хотим быть новаторами и создавать новые рыночные возможности».
«Мы видим тенденцию к использованию термопластичных композитов в основных и вспомогательных конструктивных элементах для получения легких и экологически безопасных конструкций, что в значительной степени соответствует нашей новой технологии изготовления органолистов», — добавляет Милоага. Фактически, по словам Милоага, первое коммерческое применение продукции семейства Neomera уже не за горами. Компания JM испытывает материалы в автоспорте, а также проявляет интерес к другим сегментам, таким как грузовые автомобили и спортивные товары. «Главное, что мы решаем проблемы», — добавляет Милоага. «Конкуренты имеют ограниченный ассортимент и завышают цены. А мы можем изготавливать продукцию с улучшенными характеристиками по более доступной цене — беспроигрышная комбинация».
Об авторе
Внештатный автор Пегги Малнати освещает темы транспорта и инфраструктуры для журнала CW, а также предоставляет коммуникационные услуги для клиентов отрасли производства пластмасс и композиционных материалов. peggy@compositesworld.com
