图片来源：田纳西大学诺克斯维尔分校
先进复合材料行业面对的一个长期挑战是找到生产低成本碳纤维的方法，以便所有希望使用这种有价值而有效的复合材料增强材料的行业都可以使用。归功于数十年来通过前躯体化学、机械创新和工艺改进等来提高生产率的努力，碳纤维成本已大大降低。
其中一个大有可为的领域是使用替代传统航空航天级聚丙烯腈（PAN）的前驱体。例如，美国能源部（DOE，美国华盛顿特区）和橡树岭实验室（ORNL，美国田纳西州橡树岭）已经开发出从聚合物、木质素和煤等替代前驱体生产碳纤维的方法。
可替代的前驱体
其中有希望的、也是接近商业化的前驱体之一，是纺织级聚丙烯腈（PAN），它类似于用于生产腈纶毛衣的纤维。与ORNL研究的其他替代原丝一样，纺织级PAN碳纤维（TCF）在几个方面不同于特种航空PAN碳纤维。
其中一个区别是纺织品级PAN前驱体，因为它是用于纺织工业的（比如窗帘、衣服、家具织物），是以宽丝束形式供应的，其成本本来就低于专门的航空航天级PAN原丝。在碳纤维生产过程中，与传统PAN纤维相比，这具有提高产量和降低转化成本的作用。它还适合于生产更大的丝束纤维-在ORNL的碳纤维技术工厂，生产线上产品的K数大约为300K至450K，而传统的PAN碳纤维通常为3K至50K。此外，虽然处理TCF前驱体需要花费更长的时间，但由于它不像常规PAN一样含有反应促进剂，并且通常在较低的温度下运行（这取决于平衡停留时间和温度的需求），因此在给定的时间内可以处理更多的纤维，并且按重量或体积计算的话，能源使用量较低，有助于降低成本。实际上，ORNL估计，纤维转换可节省约60％的总能源，并节省约50％的成本。
这反过来又提供了一个机会，以大批量生产成本更低的纤维，并将其用于生产碳足迹较小的产品。在诸如汽车/地面运输，消费电子，体育用品，建筑/建筑和风能等行业中，与航空航天中的强度驱动应用相比，TCF是一种具有吸引力的增强材料，因为其应用往往是刚度驱动的。值得注意的是，非航空工业可能会消耗大量的纤维。
但是，TCF仍然是一种不同于传统PAN碳纤维的产品，因此不仅需要对这种纤维进行更好的表征，而且还需要找到转化和利用它的方法。因为这种前驱体可以在超宽的丝束带中加工，所以在整个纤维生产过程中都需要对加工设备进行改造。它还改变了生产后的表面改性和包装，当然，它将影响从制造纤维带和织物到预浸料和预制件的转换过程。
必须清楚认识到的是，TCF一方面可以解决碳纤维成本/可用性的问题，另一方面也在如何处理、转换和包装这种材料方面产生了新的问题。过去三年中，先进复合材料制造与创新研究所（IACMI，美国田纳西州诺克斯维尔）也一直在开展许多会员支持的研究项目，以解决这些问题。其中一个有趣的项目研究了将超宽丝束TCF转换为热塑预浸带的方法。
降低成本
许多行业对热塑性复合材料预浸带的兴趣不断增长，但这些产品往往价格昂贵，因为要成功地用预聚合的高分子量和高粘度热塑性树脂浸渍任何一种纤维（而不是用未反应的低粘度热固性树脂），需要专门的设备和技术知识。生产出空隙多、纤维湿透性差的预浸带实在太容易了，终的成品不仅看起来很糟糕，而且有过早失效的风险。
田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK，美国田纳西州诺克斯维尔市）分管的复合材料制造创新中心（Advanced Composites Manufacturing）教授及主管，兼IACMI席技术官（CTO）Uday Vaidya博士自2000年代初以来，就与Husman Consulting Inc.（美国佛罗里达州珊瑚角）总裁兼Zoltek Co.Inc.（美国密苏里州圣路易斯）退休董事兼席技术官George Husman合作开发热塑性复合材料项目。他们之间的许多相互交流促进了在线预浸传统的大丝束碳纤维（24K到50K）的想法，以在纤维生产线的后端生产热塑性复合预浸带。纤维生产后立即生产预浸带将省去一个单独的中间工艺步骤，并省去了所有的运输和处理工作。希望这将有助于降低预浸带和由这些预浸带制成的零件的成本。
要实现这一概念，就需要在工艺和设备方面进行开发，以制造出不同丝束尺寸的碳纤维增强热塑性预浸带。Vaidya和Husman于2018年与田纳西大学研究基金会（UTRF，田纳西州诺克斯维尔）联合申请了一项临时，该涉及在线生产由多50K丝束碳纤维增强的热塑预浸带的工艺。次年，Vaidya和他的UTK团队将这项工作扩展到第二次申报，包括对超宽幅TCF（300K至450K丝束）进行热塑性预浸。
TCF TP预浸带
如预期所料，在这一过程中不乏需要解决的技术挑战。纤维进料和处理需要对设备进行重大改造，因为与传统碳纤维相比，TCF往往更宽，涉及更多的纤维。在预浸带生产的纤维预浸步骤中，它也容易发生悬链线行为。这意味着，当丝束进入预浸模时，会形成正弦波，导致丝束不均匀分裂，并在不同的张力下进入模具，导致预浸带扭曲、变形，并导致纤维润湿不良。
UTK团队必须解决众多挑战，以开发能够对传统或TCF碳纤维进行在线浸渍以生产热塑性复合材料预浸带的工艺和设备。上面的照片显示了进入预浸模具的超宽带TCF丝束，下面的图像显示了完整的热塑性复合材料预浸带，已卷在不同尺寸的纱架上，可随时出货进行测试。
“找到一种在纤维张力和柔韧性之间保持平衡的方法确实具有挑战性，并且需要大量工作，”Vaidya解释道。“我们的团队逐渐认识到，保持丝束的完整性是多么重要，以便分散丝束并获得高度的润湿性，当然，这对生产优质预浸带至关重要。”
然后是尺寸问题。TCF丝束的尺寸很大，可以帮助纤维从纱架平稳地移动到浸渍模头，然后在浸渍模头中用树脂将其浸湿，制成预浸带。但是，一旦进入模具，先前的研究表明，要用高粘度的热塑性塑料获得良好的润湿性，胶料的存在实际上会阻碍浸渍，因此非常希望除去胶料。反复试验终导致团队开发出一种技术，可以在丝束进入浸渍模具之前烧掉胶料。
为了准确地预测树脂的流变性和聚合物通过浸渍模头的进料量并制作出良好的预浸带，需要进行新的仿真和验证工作。该团队致力于生产由聚丙烯（PP）和聚酰胺6（PA6）制成的TCF预浸带，这两种热塑性塑料因其韧性和可承受性而广泛用于汽车。该团队使用了Plastic Flow LLC（美国密歇根州汉考克）的PolyXtrue挤出模具设计软件，该软件基于Williams-Landel-Ferry（WLF）模型，并与测量的流变学和剪切速率结果提供了极好的相关性。
模具设计本身是另一个重要的研究领域，尤其是当团队从标准的12K丝束转向50K丝束，然后又转向超宽带TCF丝束时。在这一阶段，模具必须完全重新设计，并调整两阶段的工艺。在阶段，预浸纤维。在第二阶段中，为张力/浸渍辊设置了佳的折断角，以控制碳纤维的拉伸张力、纤维重量分数（FWF）以及质量控制，以实现预浸带理想的拉伸性能。目前，该团队已经用PP和PA6生产了30-50％的FWF预浸带，即使丝束较大。
同时也为了在脱离模具后快速冷却预浸带，开发了一种后浸渍空气冷却系统。由于产品的宽度以及下游应用这些预浸带所带来的挑战，团队甚至不得不设计出一种方法来将完整的预浸带收紧在纱架/卷上。
热塑性预浸带的应用领域包括汽车，卡车，风叶片，基础设施（桥梁），建筑，体育用品，船舶和海上产品。
Vaidya说，该团队目前专注于电子集成，其中包括构建正式的图形用户界面和开发基于可编程逻辑控制器（PLC）的系统。终，该团队的目标是开发一种热塑性预浸带生产模块，该模块可以添加到TCF或常规碳纤维生产线的后端，以促进二次/中间热塑性预浸带的生产。
Vaidya解释说：“我们的团队面临许多技术挑战，但我们也取得了一些成就。” “处理如此宽的丝束并成功地且迅速地浸渍纤维以实现高质量的、无空隙的热塑性预浸带是困难的。但是，我们的团队探索了许多工艺参数，包括模具设计的多次迭代；通过模头的聚合物流动模拟；以及纤维进料，张紧和预热的各个方面。我们不仅达到了我们中的标准要求，而且在生产30％FWF聚丙烯和PA6胶带的同时，浸渍线速度达到了12英尺/分钟（3.7米/分钟）。
下一步计划
Vaidya说，已向UT研究基金会提交围绕这种预浸带技术的知识产权保护，其中一种使用传统的24K和50K纤维，另一种使用宽丝束纤维。他说，商业化将集中在碳纤维生产线内的在线预浸。他说：“这将大大减少后处理并易于适应，从而进一步降低了中间体的总成本。”
如何使用这些预浸带？Vaidya说，有很多选择：“例如，材料可以被切割成长纤维形式，用于拉挤成型原料、大罐的纤维缠绕、压缩成型中的二次成型（类似于有机板材）、混合工艺中的板材储备——例如，使用LFT（长纤维热塑性塑料）、SMC（片状模塑料）和其他协同工艺材料。“这打开了一系列的产品类型，将受益于刚度改善，高冲击韧性和改善加工性能，如形状、拉伸和弯曲、循环利用和可逆化学性质。
他说，应用包括汽车、卡车、风电能叶片、基础设施（桥梁）、建筑、体育用品、船舶和海上产品。“现在宽丝碳纤维热塑性中间体可能为碳纤维的采用提供了多一种可能，而以前它太昂贵了，” Vaidya总结道。
编译：赛奥碳纤维