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长纤维增强热塑性复合材料的产业化

2018-01-19 08:50:00 yh 成果展示

一、项目概述

长纤维(玻璃纤维、碳纤维等)增强热塑性复合材料(Long Fiber reinforced Thermoplatics,LFT)是20世纪90年代逐渐发展起来的一种新型纤维增强树脂基复合材料,具有高强度、高刚性、高尺寸稳定性、耐高温、低吸水率、低翘曲度、使用寿命长、高低温抗耐蠕变性能优良、可回收再利用等显著特点,可以弥补常规短纤维增强热塑性塑料(SGRT)的许多不足和缺点。该新材料在汽车、电子、家电、通讯、机械、化工、军工、体育器材、医疗器械等领域具有广泛应用,市场发展潜力巨大。

二、应用范围(包括功能、用途)

(1) 汽车行业

保险杠、车门板/自锁刹车系统、小轴和齿轮零件/汽车行李架与缓冲器/汽车蓄电池外壳/镁铝浇注件/轿车座椅骨架、仪表板、汽车椅背、换档器底座等。

(2) 机电行业

导流管扇叶和电机过滤器罩、风叶/同轴气缸离合器辅助件/高承载力、高扬程潜水电机、水泵/止推轴承、导轴承/机车导轨、真空泵、压缩机转子等。

(3) 通讯、电子、电器行业

高精度接插件、点火器零组件、线圈轴、继电器基座/微波炉变压器线圈架、框架/电气联结器、继电器、电磁阀封装件/扫描仪组件等。打印机壳体软盘传动系统传真机壳体风扇叶片低压电器壳与内支架电器开关壳电脑外内支架壳体电视机调谐器电视机后盖洗衣机内桶烤面包箱底板电热锅电熨斗把手等。

(4) 化工防腐及医疗器械上的应用

化工防腐设备、贮罐、管道、电镀槽部件、防腐地板、门窗构件、印染板架框、医疗器械非金属结构件等。

(5) 建筑工程上应用

1)   LFT在建筑工程上主要用来制作建筑模版、装饰板、保温隔热件、隔音板等材料,大多采用GMT板状材料,用模压、真空模压成型等方法,主要使用材料为玻璃纤维(GF)增强工程塑料,比如GF/PP、GF/PVC、GF/PV、GF/PE等。

2)   近几年来,作为混凝土增强用热塑性复合材料棒材发展很快,这类材料大多用拉挤、拉挤+模压(辊压)、拉挤+缠绕等成形办法。这种LFT棒状筋材起步晚于GFRP,但发展速度很快,因为它具备一些GFRP所不具备特性,如韧性高,拉挤速度高, 其应用例如:可能要使用防冻盐的混凝土结构(如桥梁面板);建于海中或海边的混凝土建筑和构筑物:堤岸、挡土墙、防波堤、灯塔等;用于腐蚀环境的混凝土建筑结构,如污水处理厂;特殊要求的电磁、中性医疗(如核磁共振室)或军事工程结构。

(6) 一些特殊领域的应用

1在文体用品方面:如制作一些乐器盒、高尔夫球杆等。

2食品、医疗卫生设备:此类产品要保证无毒,对人体健康无害,通常不含增塑剂,对人体无毒、无害的塑料,如PP、PE等,而且GF增强材料浸润剂也要去掉一些组分,代之适宜于接触食品的组分。另一类是PTFE类。这一类由磨损纤维增强,也有GF织物与PTFE复合,这类制品表面光滑,机械强度高,耐水,耐油,耐磨,耐化学侵蚀,主要应用于炊饮设备、器具、医疗卫生设备等。

3具有轻质高强要求的过滤领域:采用GF增强模拟发泡双重复合材料(被覆型)。塑料基材主要采用PP、PA、PC、PET或聚苯硫醚、聚醚酮等性能优越塑料。

4电磁屏蔽材料:采用一种玻纤增强PP特殊复合材料,制作要求具有电磁屏蔽功效的电脑、电子装置和科学仪器外壳。这种特殊复合材料采用玻纤/铜丝为芯纱,外缠包PP纤维形成一种包芯纱,进行针织成为纬编针织物,然后进行模压成为具有电磁屏蔽功效的复合材料制品。

5特种安全鞋鞋头及具有保健作用的鞋用材料:这类材料系用碳纤维(CF)、玻璃纤维、芳纶等长纤维增强的LFT粒料,这类材料具有强度高、韧性好、重量轻、强度重量比高、耐化学腐蚀性好、材料可回收利用符合环保要求、制品生产效率高等特点,所以欧美用其制作安全鞋头—其重量仅为传统钢质的40%,且穿着不易疲劳,有抗静电功能,不易变形,可满足特殊工作场合需求。另外,用其可制作足球鞋和皮鞋内底,使其具有一定保健作用—抗静电,穿着不易疲劳,内底刚性高,可弯曲性好,一般尖物不易穿透它,不易产生脚气和脚臭。如英国用这种LFT制作满足欧洲安全鞋头抗冲击性能要求的鞋头,这种鞋头1)重量仅80g,比钢制轻50%;2)在炎热和寒冷气候条件下,隔热性能优越;3)它为非磁性材料,不会触发机场特殊场所报警装置;4)耐化学腐蚀、不生锈、能抗酸碱和碳氢化物的腐蚀。

三、技术优势(技术特点、技术指标)

技术特色

本项目处于国内高技术前沿,原创性特征明显,对提升中国结构一体化化复合材料的高技术研发水平和创新能力具有重要推动作用。我们自主研发了纤维浸润模具,实验证明该模具的设计和制造能够满足制备分散性良好的长纤维增强热塑性复合材料的要求。由于国际上的封锁,无法了解国外具体模具的构造和设计原理。目前在国内还没有见到可以制备以尼龙为基体的长纤维复合材料。

主要技术指标

   制备的复合材料母粒中玻璃纤维的体积分数高达55%。

四、技术水平(包括本技术在国内外的地位、鉴定情况、获奖情况等)

经过多年多实验室研究,初步建立起一套小型生产线,现已研究和开发出玻璃纤维增强尼龙6和聚丙烯复合材料母粒,纤维分散性好。经过注塑成试样进行力学性能试验,各项性能、指标稳定。研究水平处于国内领先地位。

所研究的材料体系:基体为尼龙6(PA6)、聚丙烯;增强体为玻璃纤维。

没有进行鉴定和报奖。

五、开发计划进度

纤维浸润新型模具的加工和生产线的建立需要半年时间。

六、市场状况及市场预测

现以汽车用塑料工业为例简要说明。到2010年,预测国内汽车产量将达到1000万辆,而塑料结构材料在整辆车中可使用量为23-28%,其中LFT新材料用量为10-24%,估计总需求量(按每辆小车平均重量3.5吨,汽车塑料每辆车用120-180kg,其中LFT用量为15-42kg)可达到1.5-4.2万吨/年,市场需求巨大。据统计,2001年,国外LFT新材料用量为6-8万吨, 2008~2020年国外的连续长纤维增强热塑性塑料在汽车方面的需求大概是100-250万吨/年,国内在连续长纤维增强热塑性塑料在汽车方面的需求大概是12-35万吨/年 。

(1)  国内LFT新材料产品按以下两个步骤发展市场定位

(a)在国外汽车品牌中,连续长玻纤增强塑料己得到广泛应用。随着国外合资汽车制造厂商在中国本土化原材料与零部件采购的要求和国内汽车制造厂的迫切市场需要,为国内原材料生产厂开发与生产的LFP材料产品提供了发展与应用的重要历史机遇,并提供了广阔和重要的市场需求。与国外原材料生产厂的竞争将逐步增加,并从低端产品上的应用逐渐进入高端产品上的应用。

 (b)初步以40%长玻璃纤维增强聚丙烯(PP+30-40%GF)取代30%长玻璃纤维增强尼龙(PA6+30%GF)在五金机械电器等方面的应用;以30-50%GF增强尼龙取代30%GF增强聚碳酸酯(PC)和替代铸铁、铝合金在五金机械电器方面的应用。因为这一部分市场容量为100-300万吨/年,为进入目标市场,国内原材料生产厂计划的LFT投产后,初期年产量是500-2000吨/年,只占该品级市场份额不到11%,要争取新材料投这么小的份额是很有把握的。这样可以在初期即可使连续长纤维增强热塑性塑料产品占有一定市场份额,创造利润。

 

(2)  国内己设计与采用LFT的品种和国内汽车摩托车生产厂

一汽-大众(PP、PA6 、PA66、PBT、PC、ABS/PC、PPO、PPS、TPU等)、沈阳华晨(PP、PA6、PC等)、一汽-海马(PP、PA6、PBT等)、海南马自达(PP、PA6、PBT、PC、ABS/PC等)、广州本田(PP、PA6、PBT、PC、ABS/PC、PPS、TPU等)、广州丰田(PP、PA6、PPS、TPU等)、重庆长安福特(PP、PA6、PA66、PBT等)、南京长安福特(PP、PA6、PBT等)、北京戴姆勒-克莱斯勒汽车(PP、PA6、PA66、PBT、PPS、TPU等)、北汽福田(PP、PA6等)、重庆力帆集团(PP、PA6等)、本田摩托车(PP、PA6等)等

(3)  国内原材料生产厂开发与生产的LFT新材料发展

1) 以PP+30-40%GF取代PA6+30%GF在五金机械电器等方面的应用;市场需求量1000-2000吨/年(2006-2008);

 

2) 以PA6+30-50%GF取代PC+30%GF和替代铸铁、铝合金在五金机械电器方面的应用。市场需求量1000-2000吨/年(2006-2008);

 

3) 以PP+30-50%和PA6+30-60%GF在汽车零部件上的应用。市场需求量1000-1500吨/年(2006-2008)。

(4)  国内LFT新材料产品的近期设计与应用例子

1)     打印机、复印机、印刷机、纺织机和新闻纸辊筒等机械设备零部件

30%长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯注射成型制品具有高的尺寸稳定性和抗冲击性能,且具有较高的耐磨性和抗静电性。

2)     汽车行李架与部分结构支架

40%长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯注射成型制品具有高的尺寸稳定性和冲击韧性能,且同时有重量轻、价格低廉。

3)        汽车用蓄电池壳

50%长玻璃纤维增强热塑性聚丙烯注射成型制品具有高的尺寸稳定性和冲击韧性能,同时具有高低温度条件下优异的耐蠕变性能,收缩率低,可使壳体壳壁很薄、重量减轻、价格低于ABS树脂,而且性能优于ABS树脂。

4)        电机的导流管扇叶与过滤器罩

LFT新材料可替代金属及合金(如铝镁合金)作电机的导流管扇叶与过滤器罩,由于这些器件制品在使用过程中会受到很大范围内的温度变化,短玻璃纤维增强热塑性树脂及工程塑料性能与价格不如LFT材料有竞争力。

5)        汽车中的同轴汽缸离合器辅助件

50%长玻璃纤维增强热塑性尼龙注射成型制品具有高的尺寸稳定性、高强度和冲击韧性能,具有高低温度条件下优异的耐蠕变性能,收缩率低,可替代铝合金浇铸件。同时,制件又具有光滑的表面,保持中心尺寸精确,以保证粘弹性衬套沿中心轴平稳转动。

七、投资估算, 效益分析

每条生产线设备投资大约在200万元。原材料成本包括纤维和热塑性树脂。

八、合作方式

技术转让/合作开发