Tworzywa Wzmacniane Długimi Włóknami (LFT) – cz. 1

Alternatywa Dla Metalu

Tworzywa wzmacnianie długim włóknem (LFT) stanowią doskonałą alternatywę dla metali i innych droższych kompozytowych tworzyw konstrukcyjnych w zastosowaniach wymagających dużej wytrzymałości przy niskim ciężarze.

Silny wzrost użycia tworzyw termoplastycznych wzmocnionych długim włóknem (LFT) trwa odkąd coraz większa liczba konstruktorów docenia ich zdolność do łączenia wysokiej wytrzymałości z niską wagą. Te kompozyty formowane metodą wtryskową - w przeważającej części, choć nie wyłącznie, na bazie polipropylenu - znajdują drogę do całego szeregu wymagających zastosowań, które wymagałyby użycia zarówno metali lub wzmacnianych krótkimi włóknami tworzyw opartych na innych, i o wiele droższych, matrycach polimerowych.

Na początku były w zasadzie tylko dwa sposoby produkcji LFT. Jednym z nich był topnieniowy proces impregnacji wykazujący pewne podobieństwo do termoutwardzania kompozytów w technologii pultruzji; drugi pochodzi od technologii powlekania drutu. Pierwszy z wymienionych był uznany jako najlepszy ze względu na jakość, pod warunkiem optymalnego zwilżenia pojedynczych włókien, podczas gdy ten ostatni był najlepszy z uwagi na ilość, jako że linie mogą pracować szybciej (wydajniej). Te dwa procesy wiąże to, że materiał wychodzący z głowicy zawiera ciągłe włókna, które przebiegają równolegle do kierunku przepływu. Ciągły produkt następnie był granulowany i na tym etapie określa się maksymalną długość włókien w LFT.

Granulki LFT mają typowo około 10-13 mm długości i mogą być przetwarzane w zwykłych maszynach do formowania wtryskowego (chociaż mogą być wymagane modyfikacje ślimaka i dysz w celu ograniczenia degradacji włókien). Niektóre rodzaje mogą mierzyć 25 mm lub więcej. Chociaż te ostatnie gatunki nie są idealne do formowania wtryskowego, to są dobrze przystosowane do procesów wytłaczania.

Podczas gdy pierwsze LFT były kompozytami z włókien szklanych i poliamidów, dziś polipropylen jest zdecydowanie najbardziej popularnym polimerem. Z biegiem lat, oba te procesy były udoskonalane, pojawiały się warianty - niektóre z dodawaniem włókien jeszcze przed głowicą dla uzyskania większej zmienności odnośnie długości i orientacji włókna w granulkach - oraz zostały opracowane nowe kombinacje polimer/włókno. Zakres zastosowań również wzrósł znacząco i choć wzrost nie odpowiadał wcześniejszym prognozom, to okazuje się być bardzo dynamicznym rynkiem.

Globalny rynek LFT szacuje się na ponad 350 000 ton (nie licząc LFT-D, które są przetwarzane bezpośrednio na gotowe części), rosnący średnio na poziomie około 12% na rok. W raporcie z 2014 roku na temat LFT na bazie polipropylenu, Applied Information Market, firma macierzysta dla Compounding World, przewiduje, że przyszły wzrost wyniesie około 8% rocznie, ale zasugerowała, że ogólny wzrost przyspieszy wraz z wprowadzeniem nowych materiałów, gdy producenci samochodów kontynuować będą swoje strategie obniżania ciężaru produktów, oraz gdy zastosowanie technologii LFT wzrośnie w Azji.

Jednym z wielu producentów LFT rozwijających produkty hybrydowe łączące włókno szklane z włóknami węglowymi jest firma PlastiComp.

"PP LFT jest obecnie szeroko używanym materiałem w przednich częściach pojazdów samochodowych, samochodowej desce rozdzielczej, podporach paneli drzwiowych, konsolach, pedałach, pod osłonami karoserii i wielu innych zastosowaniach. Fascynującą cechą wielu z tych aplikacji jest to, że PP LFT pozwala konstruktorom samochodowym na zastąpienie stali, a tym samym zmniejszenie ciężaru i obniżenie zużycia paliwowa lub zastąpienie droższych tworzyw konstrukcyjnych", według Johna Nasha, Kierownika Badań Strategicznych w AMI i autora raportu.

Rynek się zmienia

Ogólny charakter oferty rynkowej LFT stopniowo się zmienia. Na przykład, kluczowy producent PlastiComp już  od dawna skupia się bardziej na materiałach wzmocnionych włóknem węglowym, takich jaki hybrydowe systemy wzmocnione włóknem szklanym/węglowym. W ostatnim czasie pojawia się coraz większa liczba dostępnych gatunków tworzyw zawierających naturalne włókna organiczne lub włókna wytworzone ze skał, takich jak bazalt.

PlastiComp został założony przez Steve’a Bowen w 2003 roku.  Firma produkuje LFT, ale także sprzedaje  licencje swojej technologii na całym świecie. Bowen był jednym z pierwszych ludzi, którzy około 35 lat temu zainicjowali i wdrożyli na rynek tworzywa wzmocnione długim włókenm, kiedy był szefem zespołu wynalazców tworzywa Celstran firmy Polymer Composites Inc. (PEI), przejętej następnie przez Hoechst (obecnie Celanese) w 1988 roku.

Rys 1. Linia pultruzyjna do produkcji LFT wzmocnionego włóknem węglowym w zakładzie PlastiComp w Winona w USA 

Rys.2. Nitki LFT podczas procesu chłodzenia końcowego

PlastiComp ma siedzibę w Winona, Minnesota, USA, będące swoistym zagłębiem i miejscem dla rozwoju technologii LFT. Inny ważny wytwórca LFT, RTP Company, także posiada tam siedzibę, podczas gdy Winona State University ma wydział inżynierski kompozytów.

Obecnie jest siedmiu globalnych licencjobiorców dla technologii PlastiComp, eksploatujących łącznie 20 linii przy jej użyciu przez głównych producentów polimerów, niezależnych wytwórców kompozytów i compoundów oraz przez sam PlastiComp (który ma pięć linii). Najnowsza instalacja została uruchomiona u klienta w Europie na początku tego roku. Firmy produkujące LFT na ogół nie są skłonne do reklamowania której technologii używają. PiastiComp przekazuje licencjobiorcom zdolność do wytwarzania LFT poprzez projektowanie i budowę kompletnych linii, które są odbierane przez własnych inżynierów, wraz ze szkoleniem personelu.

Główna wiedza PlastiComp leży w impregnacji włókna i obróbce. Firma wykorzystuje w metodzie przeciągania (pultruzji) impregnację gorącym stopem, która jest obecnie najbardziej rozpowszechnioną technologią stosowaną do wytwarzania LFT. Impregnacja gorącym stopem daje matrycę o niskiej lepkości i promuje najlepsze zwilżanie włókien. Wyzwaniem jest utrzymanie długości włókien i uzyskanie jak najlepszego wyglądu elementu.

Wielu głównych producentów tworzyw posiada obecnie technologie wytwarzania LFT tego lub innego rodzaju, z których wiele zostało koncesjonowane lub nabyte. Najbardziej oczywistymi przykładami są SABIC i Celanese, odpowiednio największy i drugi z największych światowych producentów LFT. Celanese kupił PCI w 1988 i następnie w 2010 nabył FACT (niemiecką firmę założoną przez Tapio Harmia, ale sprzedaną do Ravago w 2005).

Rys 3. Linia produkcyjna LFT pokazująca umiejscowienie niedoprzędu w zakładzie Borealis w Monza we Włoszech.

SABIC ze swojej strony uzyskał GE Plastics, które wcześniej kupił LNP. LNP niegdyś był częścią ICI, oryginalnego twórcy technologii "powłok kablowych" LFT, a oferował produkty pod marką Verton. SABIC nabył również technologię LFT poprzez nabycie zakładu poliolefin DSM, gdzie opracowano LFT o nazwie STAMAX w ramach spółki joint venture z Owens Corning (OC sprzedał swoje udziały do SABIC w 2003 roku). DSM wcześniej oferował LFT z szeregu Fiberstran, ale zatrzymał produkcję po sporze patentowym z LNP. SABIC oferuje obecnie LFT w oparciu o liczne polimery bazowe.

Kilku japońskich dostawców polimerów, zwłaszcza Sumitomo Chemical i Chisso (obecnie Japan Polypropylene Corporation, JPP), także opracowało technologie LFT. /CDN.../