Tworzywa Wzmacniane Długimi Włóknami (LFT) – cz. 3

Metody alternatywne

W zależności od procesu, konstrukcja wytłaczarki może odgrywać większą lub mniejszą rolę w produkcji LFT. Na przykład, w tradycyjnym procesie pultruzji i "powlekania drutu", od stopu i włókna wchodzących tylko razem do głowicy, celem wytłaczarki w znacznej mierze jest stopienie polimeru, zmieszanie i rozproszenie innych dodatków. Jednak w innych procesach, takich jak w jednym opracowanym przez Fraunhofer Institute for Chemical Technology (ICT) oraz niemiecką fimę Leistritz włókna wprowadza się w połowie drogi na dole wytłaczarki, dzięki czemu konstrukcja głowicy ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia odpowiedniej długości włókien.

Leistritz twierdzi, że jej wytłaczarki ZSE MAXX oferują niezbędne, szerokie okno procesu ułatwione dzięki geometrii ślimaka zoptymalizowanej dla aplikacji. To wskazuje, że ciągły, dobrze kontrolowany wlot włókien szklanych do wytłaczarki jest istotnym czynnikiem w tym procesie, dla którego opracowano specjalny system monitoringu oprzędu.

Proces dzieli pewne cechy wspólne z procesem LFT-D do formowania bezpośrednio po mieszaniu. Jan Diemert, Szef Inżynierii Polimerów Fraunhofer ICT, powiedział, że technologia zapewnia większą elastyczność niż bardziej tradycyjne sposoby wytwarzania LFT w kategoriach polimerów i włókien, które mogą być użyte. Jednakże, to dostarcza granulaty o większym rozrzucie długości włókien, co może wykluczyć je z użycia w niektórych zastosowaniach motoryzacyjnych, które mają ścisłe wymagania dotyczące minimalnej długości włókna. Badania wykazały, że niektóre włókna mogą mieć długość do 40 mm, a inne będą równie krótkie, jak w konwencjonalnych kompozytach z typowym (krótkim) włóknem szklanym. Prace rozwojowe kontynuuje się w instytucie.

Rozwiązania liniowe

Użytkownicy LFT posiadają również opcję mieszania i produkcji części LFT w układzie liniowym, za pomocą wtrysku lub formowania tłocznego. Znaczna część prac rozwojowych dla tych zintegrowanych procesów została również przeprowadzona w Fraunhofer ICT. Instytut nawet opracował proces, który łączy mieszanie LFT i technologię formowania wtryskowego in-line (który nazywa się LFT-D-IM) z technologią fizycznego spieniania MuCell firmy Trexel. Taka kombinacja daje szczególnie lekkie i sztywne części.

Fraunhofer ICT ściśle współpracował z Dieffenbacher, wiodącym producentem systemów pras hydraulicznych i dostawcą w pełni zautomatyzowanych linii produkcyjnych, w procesie technologicznym przez formowanie tłoczne LFT in-line z (LFT-D-CM). Organizacje pracowały razem przez ponad 15 lat (część centrum technicznego Dieffenbacher jest rzeczywiście na terenie kampusu Fraunhofer ICT).

Rys 5. Linia LFT w skali laboratoryjnej z bocznym podajnikiem szkła w Fraunhofer ICT w Niemczech.

Technologia LFT-D-CM wykorzystuje układ dwóch wytłaczarek dwuślimakowych, zazwyczaj firmy Leistritz. Pierwsza z nich, zwykle Leistritz ZSE, jest stosowana do tworzenia kompozytów z różnorodnymi dodatkami w postaci cząstek w stopie (polipropylenie). Ten wychodzi przez otwór głowicy w krótszej wytłaczarce ZSG, pracującej z niską prędkością, gdzie włókna szklane są jednocześnie wprowadzane zanim mieszanka przechodzi przez dyszę o bardzo niskim ciśnieniu na przenośnik taśmowy zasilający prasę. Dieffenbacher twierdzi, że ta technologia "podwójnej maszyny" zapewnia optymalne mieszanie i delikatne sporządzanie mieszanki włókien wzmacniających, natomiast wykorzystanie wysoce wydajnej i precyzyjnej prasy hydraulicznej o krótkim skoku z bardzo krótkim czasem narastania ciśnienia jest kluczem do produkcji dobrych części.

Rys 6. Chłodzenie po impregnacji LFT na linii Protec przed granulacją

Manfred Reif, lider zespołu w dziale zarządzania projektami w Dieffenbacher, powiedział, że firma sprzedała ponad 70 linii LFT-D-CM, głównie motoryzacyjnym bezpośrednim poddostawcom. Głównym zastosowaniem LFT-D-CM są osłony podwozia, przednie moduły samochodowe i półki. Więcej niż 95% produkcji stanowi polipropylen wzmocniony włóknem szklanym, choć obserwuje się wzrost w systemach opartych na poliamidach.

Wielu innych dostawców wytłaczarek dwuślimakowych na całym świecie poszukuje również wejścia na rynek LFT. Tajwański Sino-Alloy Machinery jest jednym z nich. Międzynarodowy przedstawiciel Donald Stephens powiedział, że firma prowadzi obecnie testy na linii wielkości laboratoryjnej, ale intencją jest, aby zaoferować projekt, wykonanie, montaż, uruchomienie i serwis posprzedażny dla pełnych instalacji „pod klucz” do produkcji granulatu LFT.

Sino-Alloy Machinery może powiązać swoją szybkoobrotową współbieżną dwuślimakową wytłaczarkę PSM50A z różnymi podajnikami i specjalnie zaprojektowaną zamkniętą dyszą impregnacyjną. Granulator PSH15B firmy jest wyposażony w wirnik tnący długie włókna, specjalnie zaprojektowany do tego konkretnego zastosowania.

Włoska firma Comac twierdzi, że jej współbieżne wytłaczarki dwuślimakowe EBC są coraz popularniejsze do produkcji różnych rodzajów tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym, w tym LFT. Pietro Zanotto z działu eksportu firmy, uważa, że istnieje coraz większe zainteresowanie w liniach Comac dla konfiguracji D-LFT, głównie ze względu na specyficzne rynki i zapotrzebowanie na produkcję wyrobów o wyższej wartości dodanej. "Dwa najciekawsze regiony dla nas stanowią Europa i Daleki Wschód", powiedział P.Zanotto.

Dobór LFT

Producenci włókien opracowali gatunki specjalnie do zastosowań LFT. PPG, na przykład, ma swój szereg Tufrov, który rozszerzył w ubiegłym roku o LFT Tufrov A589 dla polietylenu, niedoprzęd, który stanowi połączenie właściwości przetwórczych i technicznych lepsze od dotychczasowych produktów na rynku.

Według Kevina Richardsona, menedżera PPG w dziedzinie produktów LFT z włóknem szklanym "dostosowane chemii tworzyw termoplastycznych pozwala na ulepszenie właściwości mechanicznych dla wszystkich procesów LFT obejmujących produkcję taśm. Całkowite rozłożenie włókien tego produktu skutkuje wyjątkową impregnacją i dyspersją". Produkt Eglass jest dostępny w różnych opcjach Tex o średnicach włókien od 12 do 17 mikronów.

Owens Corning wprowadził kilka nowych gatunków włókien szklanych do wzmocnienia PP LFT w ciągu ostatnich kilku lat. Aktualne oferty stanowią niedoprzędy Performax SE 4849 i SE 4850 Typ 30, wyposażone w zwiększoną odporność na wytwarzanie pyłu, zwiększoną smarowność na dolnym naciągu nici, zmniejszoną sztywność nitki dla łatwiejszego rozchylania oraz zwiększoną wytrzymałość splotów na rozciąganie. Pierwszy z nich jest odpowiedni dla procesów typu pultruzja oraz dla D-LFT, a drugi został specjalnie opracowany dla D-LFT. Firma aktywnie rozwija dwa dodatkowe nowe wzmocnienia dla PA LFT oraz dla "drutu pokrytego PP LFTP". Oba są przeznaczone do komercjalizacji w 2017 roku.

Porównując wymagania wobec szkła dla krótkich i długich wzmocnień należy zauważyć, że dobór jest zwykle całkiem inny. Produkując kompozyty wzmocnione krótkim włóknem, nie trzeba się martwić jak wykładać włókno z opakowania. Jeśli w produkcji LFT używa się włókna o tym samym rozmiarze, nitki przykleją się do siebie tak bardzo, aż włókno się złamie. Zatem dobór musi być przeprowadzony zgodnie z różnymi uwarunkowaniami procesu przetwórczego. Przy LFT należy pakiet wykładać bez zrywania włókien.

W przypadku tworzyw wzmocnionych krótkim włóknem szklanym aż dla 80% matrycę polimerową stanowią różnego rodzaju poliamidy (głównie PA6 oraz PA66). Z kolei rynek LFT jest bardzo zróżnicowany jednak lwią część całości stanowi polipropylen. W dążeniu do wyższej sprawności aplikacji w środowisku o wysokiej temperaturze, LFT na bazie poliamidu powinien powoli zwiększać swoje udziały w tym rynku. Tendencja ta jest napędzana głównie przez niemieckich producentów samochodów.

Aktualne Johns Manville wprowadził swoje niedoprzędy StarRov 485 dla PP LFT i StarRov 890 dla poliamidów. Firma twierdzi, że niedoprzędy StarRov 485 łatwo się rozwijają i generują mało pyłu. Mówi się, że zwilżalność jest "doskonała". Zalety wymienione w przypadku StarRov 890 to "doskonałe otwieranie pakietu, bardzo szybkie impregnowanie i znakomite zwilżanie różnych typów PA i PPA, wysoka wytrzymałości na sucho i niskie pylenie".

Rys 7. Produkty StarRov z Johns Manville zapewniają oszczędności na wadze do 66% w zastosowaniach LFT takich jak osłony podwozi samochodowych oraz skrzynie akumulatorowe ciężarówek.

Koniec dla Twintex

Szczególnie interesująca technologia, która mogłaby być poważnym konkurentem w branży LFT wydaje się, że spadła na dalszy plan. Twintex, pierwotnie opracowany przez producenta szkła Vetrotex, mieszał szkło/polipropylen, który został wyprodukowany na instalacji modyfikowanego włókna szklanego. Vetrotex opracował sposób mieszania włókien PP (oraz później włókien PET), z włóknem szklanym, umożliwiajacym wytwarzanie kompozytów o najwyższych dostępnych właściwościach międzyfazowych.

Twintex może przetwarzać na własną rękę, albo wprowadzać do polimerów niewzmocnionych, jako że gatunki te mogą być produkowane z bardzo wysoką zawartością szkła. Produkt również nadaje się do przekształcenia na tkaniny, które mogą być następnie przetworzone raczej jak tworzywa termoplastyczne wzmocnione matą szklaną, GMT.

Twintex później stał się własnością Owens Corning, który po raz pierwszy udzielił licencji na technologię firmie Fiber Glass Industries (FGI), a następnie sprzedał ją do tej samej firmy w 2012. FGI zaprzestał działalności handlowej w 2014 roku. /Źródło: Compounding World/