帝人正在德国海因斯贝格对其第二条热塑性胶带生产线进行资格认证，这将显著扩大该公司在该材料领域的影响力。
Teijin 位于德国海因斯贝格的新型热塑性预浸料生产线的特点是能够生产非常宽的胶带——最宽可达 24 英寸。该生产线还在热塑性单向 (UD) 胶带生产中提供前所未有的过程和质量控制。图片来源：Teijin Carbon Europe
预计热塑性复合材料将在各种下一代飞机的主要结构制造中发挥更大和关键的作用，从大型商用喷气客机到小型电动垂直起降 (eVTOL) 飞机，这些飞机将成为新兴的先进空中机动 (AAM) 市场。满足这一需求将需要开发和制造热塑性胶带——单向 (UD) 和多轴——以满足日益严格的质量要求。
考虑到这些挑战，Teijin Carbon Europe GmbH（德国伍珀塔尔）最近在其位于德国海因斯贝格的工厂安装并调试了第二条热塑性胶带生产线。第一条生产线于 2011 年投入使用，并获得波音应用资格，旨在提供数量和宽度足以满足研发 (R&D) 和小批量生产目的的热塑性胶带。
第二条生产线于 2019 年投产，使用与第一条生产线相同的制造技术，但其规模、速度和一致性代表了制造能力的全面显著提高。Teijin Carbon Europe 开发部总经理 Willem Jan ter Steeg对该公司的新型碳纤维热塑性胶带生产线的介绍。
ter Steeg 指出，新生产线提供的过程控制为帝人提供了前所未有的能力，可以快速、一致地制造符合宽度、厚度、单位面积重量、树脂分布、纤维体积分数 (FVF)、结晶度和孔隙率等严格质量标准的热塑性胶带。
首先，也是最值得注意的是，新生产线可以生产宽度为 12 或 24 英寸的胶带，这在热塑性复合材料供应链中并不常见。其次，ter Steeg 指出，新生产线提供了极大的灵活性，包括多达 220 个纱架位置，以及调整湿度、温度、铺展参数、张力和基体含量的能力。“我们可以在 34%至约 40 %或 42% 的基体含量之间进行调整，”ter Steeg 说。“理论上我们可以达到 50%，但没有这个要求。” 该生产线通常生产纤维面积重量 (FAW) 为 97-200 gsm 的胶带；已经展示了超过 200 gsm 的纤维面积重量 (FAW)。
这张来自帝人新生产线的热塑性胶带的显微照片展示了制造过程的一致性和均匀性。在过去十年中，热塑性预浸带的质量一直在稳步提高。
UD 碳纤维是在新生产线上加工的主要增强材料，但也可以使用芳纶等其他材料。碳纤维直接来自帝人，这是世界上最大的碳纤维制造商之一。
当纤维从纱架中出来并被拉紧到生产线上时，它们进入浸渍单元。在这里，ter Steeg 指出，浸渍装置将树脂基体分散为粉末，然后与乳化剂混合并涂敷到纤维上。与熔融浸渍相比，帝人更喜欢这种方法，因为它提供了更一致、更均匀的聚合物分散。
帝人在这条生产线上主要预浸聚醚醚酮 (PEEK) 和聚苯硫醚 (PPS)，低熔点聚芳醚酮 (LMPAEK) 和聚醚酮酮 (PEKK) 的加工频率较低。ter Steeg 指出，其他树脂基材体系也可以加工，但前提是它们与浆料中的乳化剂相容。
Teijin Carbon America 的航空航天营销工程师 Alfonso Lopez 说：“我们在这里讨论的系统对于高性能聚合物来说确实非常出色，因为它们很难处理。我认为用这种特殊方法制造的胶带质量非常合适，符合航空航天要求的质量。”
关于非粉末/浆料浸渍，ter Steeg 说：“当然，我们也在研究熔体浸渍作为粉末的替代品，但目前我们内部没有该技术的能力。但我们正在密切关注此事。”
浸渍后，胶带通过干燥器，然后进入高温烘箱，烘箱做三件事：熔化聚合物以确保均匀的聚合物浸渍；有助于减少空隙；并促进基质的适当结晶度。“通过烘箱，我们确保将熔融聚合物完全浸渍到胶带中，”ter Steeg 说，“当然，我们还以尽可能减少空隙的方式处理胶带。”
烘干后，胶带被修剪成一定长度（边角料将被收集并回收为用于注塑成型的短纤维），然后用激光技术进行宽度、厚度和面积重量测量。“宽度与厚度存在相关性，因此我们基本上可以预先定义纤维面积重量，”ter Steeg 说。“之后，我们在实验室进行测量，以确保我们拥有准确的纤维面积重量和准确的树脂含量。”
然后将胶带缠绕在生产线末端的线轴上。“这是 24 英寸宽的卷，”ter Steeg 指着生产线末端的一卷胶带说。“我们有每平方米 115 克的 PPS 胶带。目前，这卷胶带近900米长，没有任何缺陷。” 他补充说，该生产线可以生产 2.5 公里长的胶带，没有缺陷或中断。
生产线的速度无法透露，但 ter Steeg 确实声称它可以以高于帝人竞争对手的速度生产热塑性胶带。“浆料中挥发物的蒸发是速度的唯一限制，”他指出。生产线的总产能因所生产材料的面积重量而异，但 ter Steeg 报告说，该系统在最大吞吐量和最大面积重量下，每年可生产高达 320 公吨。
在流水线附近的控制室，帝人技术人员持续监控所有制造参数，最终提供全面材料可追溯性所需的所有生产数据。ter Steeg 说：“正如你所知，这对航空航天来说当然至关重要，以确保一切都是可追溯的。因此，这就是为什么我们确实对所有基本数据进行持续监控。”
就整体产品质量而言，Lopez 说 PEEK 是衡量所有其他胶带的标准。他指出，PEEK 的结晶度是加工最频繁的三种树脂中最一致的。“PEEK 是基线，因为结晶率非常高，无论冷却速度如何，它确实可以以一致的结晶度进行焊接和成型，”他说。“PEKK 和低熔点 PAEK 不一定是这种情况，你必须更加小心地冷却它。然而，通过我们这里的生产线，我们可以控制热历史，因此我们可以从这条线上获得零冷结晶的材料。”
ter Steeg 说，最重要的是，新生产线提供了前所未有的过程控制选项，可以生产高度一致的胶带质量。“这种质量的长度、宽度和速度在复合材料行业是独一无二的，”他说。“我们越来越接近热固性胶带的质量。”
随着航空航天业从 COVID-19 中复苏，以及波音和空客考虑新的飞机项目，这些项目肯定会扩大热塑性复合材料的使用，帝人正在关注市场，寻找需求最大的纤维/树脂复合材料的信号。Teijin Carbon America 航空航天营销部门的 Jean Philippe-Canart 表示，Teijin 的 PPS 胶带“在快速进入项目方面取得了巨大成功，因此 PPS 在某种程度上为我们打开了一些其他应用的大门，例如航空航天中的二级结构或内部结构。然后还有工业应用，例如用胶带缠绕来制造管道和管道。” Canart 还指出，碳纤维/PEEK 对于需要使用可加工复合材料块的应用很有吸引力。
Canart 说，PEKK 的未来有些不确定，这是基于帝人对市场演变的看法。“我们看到 PEKK 有点挤在 PEEK 和低熔点 PAEK 之间，”他说。“如果你想要一种真正的低熔点材料，低熔点 PAEK 往往比普通 PEKK 更有优势。如果你想要高性能，我们仍然会推荐 PEEK。”
帝人已将这种新型宽胶带提供给A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提），A&P Technology 将其编织成中间格式，供热塑性复合材料制造商ATC Manufacturing（美国爱达荷州波斯特福尔斯）使用和评估。Teijin 的 Lopez 在美国复合材料制造商协会 2022 机动性会议上介绍了用于制造冲压成型前缘肋的单向、织物和编织增强材料。帝人还参与了另一个项目，编织 0.125 英寸碳纤维/热塑性塑料管，其长度可达 1.2 公里。
A&P Technology 的 BIMAX 编织增强材料特写，采用帝人的 UD 热塑性胶带制成。
在工业方面，ter Steeg 说 PPS 被证明极具吸引力。“我们在市场上看到的是，需要一种具有高耐化学性和低吸湿性的聚合物，因此对于泵等产品，我们也看到了非常高的需求，”他说。“人们在这里寻找总成本最低的高质量材料。”
在快速增长的氢气市场，Canart 表示帝人正在评估热固性和热塑性复合材料在低温储氢压力容器中的应用。“这当然会带来额外的复杂性，”他说。
Canart 表示，帝人正在密切关注的终端市场是先进空中机动AAM，它可能需要大量的热塑性复合材料供应链。“AAM 想要和需要什么？” Canart 问道。“它会是一种标准的高性能聚合物，还是可能有其他聚合物的空间？”
这种航空肋条由 ATC Manufacturing 使用 A&P Technology 编织的 Teijin 单向热塑性塑料带冲压成型。帝人对该材料进行了初步定性评估，以验证其在高性能应用中的能力。
这个问题的答案将指导帝人在海因斯堡的下一步行动。第三条线是可能的，ter Steeg 说，假设有需求。那么更宽的磁带呢？ter Steeg 说，Teijin 目前生产的 24 英寸宽胶带之所以吸引人，原因有很多。它满足许多应用程序的需要，并且相对容易处理。他认为，宽度达到 36 英寸会带来整合、收缩和处理方面的挑战。此外，他指出，可以通过焊接两条较窄的胶带来制作较宽的胶带。也就是说，“一切都在画面中，”他指出。“我们对许多可能性持开放态度。”
位于德国海因斯堡的 Teijin Carbon Europe 工厂的外观。
原文链接：https://www.compositesworld.com/articles/inside-teijins-thermoplastic-tape-expansion
原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：帝人扩大热塑性预浸带生产
