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小型片材机组-给您丰富的创造空间

发布者:bjzedao 发布日期:2016-07-26

采用可回收碳纤维制造创新型有机片材

来源:荣格

 

 

组件的复杂性有限是传统有机片材一个主要缺点。新开发的碳纤维织物可通过使用一种可塑性变形的短纤维纱线来克服这一缺点,从而开创了热成型有机片材加工的全新自由空间。 

预测呈两位数增长的碳纤维(CF)市场正走向光明的未来。大部分碳纤维用于碳纤维增强塑料组件 (CFRP)中。 特别在汽车领域,碳纤维增强塑料被认为是增长的动力。其中的实例之一是宝马i3的,碳纤维增强塑料被应用于2015年售出的24000辆车型中。

但是,今天要用CFRP(或其它纤维如玻纤)取代所有的金属部件是不现实的。对此需承担共同责任的是金属加工,尤其是深拉部件经验的进一步丰富。这些深拉部件之所以得以成形是由于金属的流动性。比如,可以通过深拉工艺,在金属部件上产生局部的变薄,从而形成瓦楞状。

有局限的复杂有机板材

从工艺发展的角度看,流动性将金属板材与CFRP半成品这种所谓的有机板材清晰地区分开来。由于增强碳纤维难以流动,悬垂性能这一用以描述两维材料适应三维形状的能力,即便有,也会很低。本文主要侧重于探讨InTeKS(用短碳纤创新型纺织品结构;开发一种创新性可塑性变形的有机板材),并揭示了一种具有出色悬垂性的热塑性塑料半成品的理念。这一项目将推动热塑性CFRP的大规模应用。

CFRP应用的日益广泛也带来了其它挑战:其中之一就是,随着CFRP应用的增加,废弃物也会增多。现在这些废弃物主要来自于CFRP部件的,但未来还会有使用寿命终了(EOL)的废弃物。研究表明,2020年,CFRP废弃物会达到21000吨,其中13800吨为废弃物,7200吨为EOL废弃物。这样,InTeKS项目的另一个目标就是将回收的碳纤维作为新的具有高悬垂性有机板材的原材料。这两个大的目标可以形成理想的互补。

当前的障碍

当采用传统的有机板材时,对部件复杂性的限制可以被视为这些半成品的劣势。其中的一个原因是悬垂性的获得,它会直接影响单粗纱的粘结类型,尤其与织物的粘结性。粗纱交织次数越多,剪切角越小,悬垂性也越差。平纹织物的交织点*多,因此波纹**。经缎织物每隔三四根粗纱才有一交织点,降低了波纹,**限度提高了剪切角和悬垂性。但不管是什么织物类型,实际情况是,碳纤维不发生塑性变形,断裂伸长率远低于2%。具体取决于碳纤维类型。

图1:回收碳纤维是新型高悬垂有机板材的原材料(© ITV)。

回收碳纤维(rC纤维)只存在有限的和随机取向形式(图1)。rC纤维进一步加工成半成品的**工艺没有改变这一形式,制成了纤维取向不明确的毡和无纺布。基于这一形势,rC纤维只能用于半结构件。但是,在大多情况下,这标志着“下降性循环”,也即材料原有的大部分功能都会丧失。向结构部件方面发展的“**的”回收只能通过实际有机板材中那样,长度无限排列整齐的碳纤维才能实现。

用回收碳纤维短纤纱

InTeKS项目的目标是在使用回收碳纤维的同时,改善有机板材的悬垂性。实现这一目标的战略是用rC短纤进一步成rC短纤纱来CFRP(图2)。InTeKS材料独特的特性是回收rC短纤纱的结构。rC和单纤PA6纤维主要因摩擦力的作用形成纱线。这种结构使得单根碳纤可以在热成型时滑移,其表现就像在深拉工艺中,金属的塑性流动一样,从而确保获得可与传统无皱褶织物相媲美的悬垂性,提高了可以获得形状复杂、轻量化的部件的可能性。

图2:中间站:通过表面披覆纱线,rC短纤纱获得了特殊结构,使得单纤维在热成型过程中可以滑移(© ITV)。

负责的团体由来自整个流程链的代表组成,从回收碳纤维的处理,到纱线和面料的,再到有机板材以的,以及将它们热成型加工成展示部件(图3)。材料和工艺的开发与用以模拟基于rC纤维的CFRP悬垂性的模型的开发一起进行。

图3:InTeKS项目(用短碳纤创新型纺织品结构)合作伙伴及时间表:(来源:IVW)

图4:工艺:开松rC纤维,按纤维束方向排列整齐(来源:ITV)

这**程链从德国格罗瑙的Altex Textil-Recycling GmbH & Co. KG(Altex纺织品回收有限公司)将rC纤维从废弃的纱管上取出开始。由剪切设备(商:位于比利时Corbion 的Pierret Industries公司)按照规定的约80mm的长度剪切纤维。然后处理过的rC纤维由德国邓肯多夫的Textile Tech- nology and Process Engineering(纺织技术及加工工程研究院)(ITV)加工(图4)。首先,在用德国柏林的Memmingen Textil Engineering公司(原名Maschinenfabrik Memmingen)对纤维进行梳理之前,用法国Cours la Ville 的Laroche公司的设备开松rC粗纱(此处纤维被相互分离成单独的一根根纤维),然后加工成纤维条(图5)。此后,rC纤维条用ITV公司自己开发的设备(图6)纺成rC短纤纱,**卷绕在纱筒上。这些筒子被发运到项目的另一个合作伙伴、Gustav Gerster旗下的Gerster TechTex公司,由其将rC短纤纱成无皱褶织物。

图5:喂入rC短纤束供纱线用(ITV)

图6:用自己(ITV 登肯多夫)开发的“Spinntester” 纱线

rC短纤纱制成的粗纱

Gerster TechTex是一家有经验的高悬垂性粗纱的企业,如,他们有一只产品叫“Drapfix”。他们的任务是将rC短纤纱制成粗纱。**批试验显示,可行的办法是对纱线施加大的径向应力(图8)。这样,就掌握了无褶皱面料工艺的关键一步。

图7:rC短纤纱管:2D纺织品用(© ITV)

成品无褶皱面料被送到德国凯泽斯劳滕复合材料研究院(IVW)。在那里,和项目合作伙伴德国布里隆的Bond-Laminates公司一起合作,将这些面料压制成有机板材。接下来,会对有机板材进行**的表征,尤其是,会采用由IVW与德国栋茨多夫的Kunststoff Wagner工具公司合作开发的各种特别测试工具考察其悬垂特性。这一过程中重要的一个方面是,rC 短纤纱塑性伸长率的测试。在项目临近结束时,有一种带有各种苛刻要求的特性如半径约为1mm,拉伸角1°,边缘等非常具有挑战性的工具,来展示材料出色悬垂特性。

图8:左:rC短纤纱用作纬纱,面临着旋转90°的挑战。右:窄幅面料(© Gerster TechTex)

用仿真模型来进行新型有机板材的开发,它可以预测材料在热成型过程中的悬垂过程。这种模型由IVW与位于德国斯图加特的Dynamore Gesellschaft für FEM-Inge-nieurdienstleistungen mbH合作开发。该模型将检验典型的畸变,如粗纱扩散、纤维取向度(剪切)改变、折叠区域以及材料变薄等。

rC纤维制成的结构性部件

尽管InTeKS项目还在**年,但已经完成了**个里程碑。连续的、排列整齐的rC短纤纱的成功是回收碳纤维结构性部件的重要一步。对这种纱线进行表征,以及确定它们的机械性能将是接下来的重要突破。

除了能够提高部件复杂度,还可通过利用回收碳纤维来降低材料成本。这使得汽车行业对InTeKS材料产生了兴趣,因为在碳回收领域新的可能性有助于欧盟实施自2015年1月1日生效的关于旧机动车EOL废弃物回收的法律。因为这些旧汽车EOL废弃物将达到车辆重量的95%。

从这些车辆中回收用过的CFRP,同时又不降低它们的机械性能的潜在可能,使得CFRP的应用更具吸引力。但项目**的目标,即通过使材料变得具有塑性伸长特性,从而改善有机板材的悬垂性,将为在这一领域进一步的研究提供动力。

 

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