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回收、生物复合材料、小型设备和不断扩张的品牌

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4月25日至27日, 复合材料综合展会JEC World 2023 在法国巴黎如期举办。作为被誉为“复合材料产业发展风向标”的复材领域盛事之一,此届展会吸引了超过110个国家/地区的1200多家参展商,其中涌现除了不少有亮点、创新、特色的新材料及新工艺。
CW杂志高级技术编辑Ginger Gardiner总结了今年会上的一些热门话题,从无数初创公司的新型生物复合材料和回收技术解决方案到老牌公司的升级板但同样可持续发展的设备。

随着疫情消弭,JEC World 2023似乎恢复到了往日的活动水平,为新的复合材料产品和技术提供了人们预期的“消防水管”。毫无疑问,可持续性是一个热门话题,从展出的无数储氢罐到新的回收技术和回收材料,再到新的生物复合材料,尤其是更小、更节能的设备。以下是几个精选出的亮点,分享给大家:
01 /New recycling新回收技术

Nova Carbon(法国波尔多)是欧洲财团MANIFICA Recycling的子公司,在JEC World的Startup Booster(创业助推器)区域展出。首席执行官兼联合创始人Hugo Cartron表示:“我们正在从干废料或解聚碳纤维增强聚合物产品中回收和重新排列碳纤维。因此,我们保留了纤维的长度和性能。我们是用回收的碳纤维[rCF]制造半成品的纺织专家。我们的长纤维调校技术已由波尔多大学开发并获得专利。他们开发的设备生产由rCF制成的连续纤维带。Nova Carbon将继续开发这项技术,以大规模生产rCF半成品。”Nova Carbon展示了其合作伙伴MANIFICA重新校准的rCF干纤维带和使用该材料制成的原型,包括MANIFICA与法国体育产品创新者迪卡侬(Villeneuv-d'Ascq)共同制造的CFRP鞋底,以及另一位关键合作者Epsilon Composite(法国梅多克Gaillan)用重新校准的rCF带制成的第一块拉挤平板。

PhYre回收碳纤维(左)由Extracthive使用专利溶剂解工艺生产,据称该工艺可以使用热固性或热塑性复合材料将纤维长度保持在80厘米及更长。图片来源:CW
PHYre是Extracthive(法国Sorgues)生产的一种高质量、低环境足迹的再生碳纤维。"自2016年以来,我们一直在开发一种复合材料的回收方法,基于一种创新的溶解过程,"总裁Frédéric Goettmann说。"这种专利工艺可以生产出干净的、无损伤的碳纤维"。该公司引用了与原生碳纤维相同或更好的模量和断裂强度。"我们的工艺也比热解法使用的能源少得多,每公斤纤维的碳足迹减少约4.5公斤二氧化碳。我们的目标是继续开发,以进一步减少碳足迹"。从2018年到2022年,通过三个不同的国家和欧洲资助项目,Extracthive已经从每天1公斤(1公吨)扩大到100公斤(1吨)。目前,该公司正在调试一台工业规模的演示机,目标是在2024年达到每天20吨rCF,计划到2025年达到每天500公吨,并分别在2028年和2030年安装第二个和第三个工厂。Goettmann说:“我们仍在开发使用这种rCF的应用程序。”。“我们可以回收整片纺织品,并正在法国赛车艇上演示这些纺织品的使用。我们还演示了在BMC(散装模塑化合物)中使用切碎的rCF环氧树脂,然后可以用于医疗应用,如X射线台。我们可以将纤维长度提高到80厘米,当然,使用适当尺寸的反应器,甚至1-2米也是可行的——但目前制造商只要求长度为3-50毫米的rCF。”他继续说道:“我们还与一家生产氢罐的公司合作,实施我们的技术,以解开他们的罐并回收碳纤维。”。“我们回收了溶剂解过程中使用的90-95%的酸,也采用了热回收。我们的工艺可以用于各种热固性和热塑性复合材料,我们也可以回收聚合物。”

使用rCF“类锻造”预浸料制成的ReCarbon面板(左)、rCF/PP有机片材和热成型泡沫芯夹芯板(右下)。图片来源:CW
ReCarbon(意大利Busto Arsizio)成立于2022年,但其起源可以追溯到4-5年前,当时该公司总裁Paolo Grati开始收到其复合材料咨询公司GPMC客户对回收解决方案的请求。ReCarbon项目经理Patrick Pacchetti解释说,GPMC召集了一个专家团队,并开始与主要回收公司合作。他补充说,ReCarbon在这些回收公司和实际工业市场之间提供了至关重要的联系。“我们在碳纤维回收链中‘闭环’。我们现在生产热固性(预浸料)和热塑性形式的rCF中间产品。我们的Replate有机片材宽达1.3米,长超过2米。与原始玻璃纤维/PP LWRT(轻质增强热塑性塑料)相比产品,我们的rCF材料的硬度是其4-5倍,这使得车底和门板、轮罩等典型应用的重量减少了45%。”ReCarbon还有一系列产品,使用100%rCF和热固性环氧预浸料,由热熔浸渍生产线制成。帕切蒂说,这些材料可以在120°C下热压罐固化1小时。“对于特定的模具应用,50-70°C的固化温度也是可能的,而150°C的5分钟固化用于压缩成型。我们还开发了一种使用短切rCF的‘类锻造’版本,类似于SMC(片状模塑化合物)产品,但可以在高压釜或压机中分别在6-7巴和30巴的压力下进行加工,而SMC工艺则几乎为100巴。”此外,ReCarbon提供其复合三明治产品的Recomb系列,使用热固性和热塑性rCF表皮和芯(蜂窝、泡沫)的不同组合。其中包括一种完全热塑性、可热成型的夹层板,由rCF蒙皮和PET泡沫制成。

HRC中国恒瑞集团展示了使用其内部生产的rCF/PP材料制成的压模零件,包括用于汽车CFRP车轮的插入件(顶部)和混凝土模板面板(底部)。图片来源:CW
HRC集团(中国上海)为汽车、航空、建筑和工业市场提供先进的复合材料解决方案。除了展出一架X2 eVTOL飞机(它为原始设备制造商小鹏汇天XPeng HT Aero(中国广州)生产100多个CFRP部件)外,HRC还展示了其在再生碳纤维方面的最新发展。该公司50,000平方米的主要生产设施位于常熟,离上海大约90分钟的车程。"欧盟销售/项目经理Slavko Karas说:"除此之外,我们最近还增加了一个20000平方米的航空工厂,该工厂拥有一个基于热解的碳纤维回收系统,以及一条预浸料生产线和一条SMC生产线,用于重新制作rCF。他指出了展出的两个使用RCF/PP材料的应用。第一个是CFRP汽车轮毂的嵌件,它的外壳是预浸料,背面是RCF SMC。第二个是用切碎的rCF/PP材料用压缩成型法制作的浇筑混凝土的模板。"这种成型模具可以使用200-300次,"他解释说,"而木制的只能使用两次。"
02 /New biomaterials新型生物材料
自1969年以来,Ranger公司(意大利Briosco)一直从事SMC工具制造、零件成型和工程,2002年增加了树脂传递成型(RTM),并在2015年创建了一个复合材料开发中心。2023年,它推出了由生物树脂和天然纤维制成的绿色模塑料(GMC)。Ranger现在提供一个生物复合材料初创企业加速器,提供其从可行性到商业计划、材料到制造和投资者的专业知识。一个例子是初创公司Hikari,它将GMC用于Hedera室内园艺系统。

Ranger开发的绿色模塑化合物。图片来源:Ranger
GMC是由亚麻纤维浸渍聚酯树脂制成的,其中50%的重量来自可再生资源。传统BMC/SMC中使用的矿物基填料已被来自食品生产的加工废料所取代。Hikari与意大利费拉拉大学的聚合物和复合材料系合作完成了对GMC材料的研究,确定生产过程中的二氧化碳当量公斤数从传统SMC/BMC的2243降至GMC的938--减少了≈60%。Dongnam Rea
lize公司(韩国大田)从2022年JEC世界大会的初创企业助推器奖得主过渡到今年拥有自己的展位,展示其CXP纤维素交联聚合物。CXP颗粒由林业副产品或植物物质制成,据说可用于传统的注塑机和挤压机,价格与传统塑料相似。然而,它是无毒、无污染的,如果燃烧会像木材一样烧焦,并且可以回收。CW最近报道了Anybrid(德国德累斯顿)在其机器人包覆/注射成型技术中对CXP材料的试验。Dongnam Realize对这种试验非常感兴趣,并正在寻求拥有增强剂和填充剂的合作伙伴,以开发一系列CXP复合材料。
03 /更小的设备,更好的可持续性

Carbon Axis全新Xplace²AFP头。图片来源:CarbonAxis
Carbon Axis(法国拉罗谢尔)再次展出了其XCell自动纤维放置(AFP)系统,但今年展示了其新的XPlace²模块化AFP头,该头带有机载线轴,可安装在更大的机器人上制造更大的部件。"该机头的想法是为客户保持模块化和灵活性,因此他们可以选择不同的线轴配置,并适应他们的应用,"Carbon Axis联合创始人Chiemi Avila Mori解释说。"新的机头将在2023年底之前作为一个独立的单元提供,并将被集成到我们正在开发的新机器中。"

Meccatronica公司的E-Form伺服电动压力机提供高质量的复合材料零件生产,能耗降低75%。图片来源:CW
Meccatronica(意大利Preganziol)展示了其E-Form系列伺服电动压力机,可提供高质量且节能的复合材料零件热成型。作为传统液压机的替代品,E-Form全电动技术可减少高达75%的能耗,由于没有阀门、管道或油处理,减少了维护,提高了清洁度和精度。可用的成型力范围为20至100吨,工作温度高达220°C。每个板的专用和自主温度调节器是整个系统设计的一部分,用于高质量复合材料部件的可靠性和再现性。

与碳纤维生产过程中用于氧化的传统中心到末端的氧化箱(底部)相比,OneJoon端对端氧化箱可减少能源使用并提高工作效率。图片来源:CW
OneJoon(韩国水原)生产各种热加工线,包括氧化炉,这是碳纤维生产过程中最大的能源消耗。在JEC 2023上,OneJoon重点介绍了其新型端到端气流氧化炉,与传统的中心到端气流炉相比,该炉减少了能源使用,提高了效率。后者使用中央充气室将加热的空气从氧化炉堆的中心分配到每一端。典型的3米宽碳纤维氧化生产线使用三堆两个氧化箱,其中每个中央到末端的氧化炉需要两个风扇和两个燃气燃烧器/电加热器组。端到端氧化炉将该设备一分为二,只需要一个风扇和一个燃烧器/电加热器组。中央增压室也被取消了,这使空气流动并改善了空气分布。这有助于使聚丙烯腈(PAN)原丝纤维均匀氧化,这是提高整体工艺效率和最大限度地降低火灾风险的关键。
04/老品牌新产品
作为一家公司,bigHead粘接紧固件公司(英国维伍德)因其在连接复合材料方面的知识而长期受到尊重。在JEC 2023上,bigHead作为Bossard集团(瑞士楚格)旗下的两个以复合材料和塑料为重点的品牌之一进行了展示。Bossard专注于解决复合材料紧固的挑战,与航空、汽车、电动汽车(EV)、铁路和能源行业的设计师、制造商和装配商合作。展出的另一个品牌是MultiMaterial Welding(瑞士比尔),这是一个创新的紧固技术平台,可实现轻质、多种材料的设计。应用包括取代由Nomex或PP热塑性蜂窝芯制成的轻质夹芯板中的胶合连接,从而实现航空航天和其他行业标准的认证。其他系统可以连接不同的热塑性塑料以及非常薄的材料(<2.5毫米),而不会产生痕迹。这个过程也非常迅速,据报道只需1秒,而且可以完全自动化。此外,通过消除粘合剂,MultiMaterial Welding能够在产品使用/使用寿命结束时回收产品。三井化学(日本东京)是一家知名的复合材料应用聚丙烯供应商,包括长玻璃纤维增强(LGFPP)化合物和塔夫纳碳纤维增强聚丙烯UD胶带。Tafnex是使用台塑(台湾台北市)的碳纤维和三井化学开发的一种特殊等级的聚丙烯制成的,并为碳纤维上浆,“这保证了UD胶带的充分浸渍,因为通常情况下,碳纤维很难与聚丙烯材料结合,”RenéLaschak Pinto Gonçalves解释道,Mitsui Chemicals Europe新业务开发复合材料和移动性技术专家。

Mitsui Chemicals Tafnex材料(右上角,顺时针)包覆成型管,其短切胶带片材的美学演示,由回收汽车保险杠梁制成的长纤维热塑性塑料(LFT)颗粒,以及由Tafnex生产废料制成的Junichiro Yokota Studio长椅。图片来源:CW
在JEC World 2023上,通过展示热成型/热压复合材料零件和片材,探索了Tafnex的可能性,这些零件和片材使用Inometa(德国赫福德)制造的短切Tafnex胶带和管道,并使用Anybridge的机器人ROBIN系统进行过二次成型。横田纯一郎工作室设计的长椅和座椅说明了塔夫纳在家具和消费品中的潜在用途,这些长椅和座椅使用波纹U形模塑件嵌套,以提供几何锁定和刚性。这些Tafnex结构具有类似于大理石或黑色石英的美学饰面,但重量仅为其一小部分,具有高刚度和强度,并具有韧性和防水/耐化学性。这些结构也可以与包覆成型技术一起使用,以结合热塑性塑料的美学和功能化。成型家具还通过组合和热成型塔夫纳生产过程中产生的芯片来证明其可持续性,这些芯片以前被当作废物处理。Tafnex的可回收性也已通过将片状材料废料和报废零件粉碎成长纤维热塑性塑料(LFT)颗粒以在注塑中重复使用而得到证明。一个例子是一个汽车保险杠横梁,它之前由三井化学子公司ARRK Engineering(德国慕尼黑)设计和测试,该公司在全球拥有50多年的经验和位置。ARRK工程公司使用Tafnex设计的保险杠梁进行了整车碰撞模拟,然后通过演示器的制造和物理测试进行了验证。三井化学也在开发一种生物基聚丙烯,该聚丙烯将使用Neste RE 100%生物基碳氢化合物来代替部分化石原料。该公司于2022年宣布,其子公司Prime Polymer正在商业化生产这种生物质PP。
(编译:赛奥碳纤维;来源:CompositesWorld、JEC)


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