Reaktif polimerisasi resin memperluas pasar organosheet, peluang

Musim gugur ini, Johns Manville (JM, Denver, Colo., A.S.) berencana untuk memperkenalkan produk pertama di lini Neomera-nya. Penawaran awal akan in situ -polymerized, anyaman fiberglass-reinforced polyamide 6 (PA6) organosheet, tetapi lini akan segera diperluas untuk mencakup kain non-crimp (NCF) dan serat cincang panjang. JM juga mengatakan bahwa matriks termoplastik terpolimerisasi reaktif tambahan sedang dievaluasi, seperti juga struktur penguat hibrida (misalnya, menggabungkan serat karbon dan kaca) atau bahkan penguat non-kaca. Perusahaan mencatat bahwa karena metode berbeda yang digunakan untuk memproduksi bahan-bahan ini dibandingkan dengan organosheet konvensional dan komposit termoplastik serat panjang, produk Neomera akan menawarkan sifat mekanik yang lebih tinggi dengan biaya lebih rendah. Inilah yang saat ini kami ketahui tentang materi ini.

Metode baru untuk memproduksi organosheet

Organosheet konvensional — biasanya bentuk khusus komposit termoplastik tikar kaca (GMT) yang diperkuat dengan kain tenun — diproduksi dengan matriks polipropilen (PP) atau poliamida 6 atau 6/6 (PA6, PA6/6). Komposit organosheet paling sering digunakan dalam komponen semi-struktural dan struktural di industri otomotif, truk komersial, bangunan/konstruksi, dan barang olahraga.

Beberapa aspek membuat lini Neomera JM berbeda dari yang sudah tersedia di pasaran. Pertama, daripada melelehkan serat impregnasi dengan resin PA6 terpolimerisasi penuh, perusahaan ini mempolimerisasi monomer kaprolaktam secara anionik menjadi PA6 setelah langkah impregnasi. Karena kaprolaktam cair memiliki viskositas yang sangat rendah (~5 centipoise), ia membasahi roving atau kain jauh lebih efektif daripada termoplastik terpolimerisasi penuh, yang memiliki rantai polimer yang jauh lebih panjang dan viskositas yang jauh lebih tinggi. Itu berarti sistem resin terpolimerisasi reaktif JM mencapai pembasahan yang jauh lebih baik — lebih seperti termoset cair — daripada yang mungkin dilakukan dengan termoplastik terpolimerisasi penuh seperti PA6. Pada gilirannya, ini sangat mengurangi rongga dan memberikan peluang untuk membuat fraksi volume serat (FVF) yang lebih tinggi — di urutan 50% atau lebih tinggi — yang dengan sendirinya meningkatkan sifat mekanik.

Kedua, JM juga merawat serat kaca — baik yang dipotong, ditenun, atau NCF — dengan ukuran kaca reaktif miliknya sendiri sebelum diresapi dengan kaprolaktam. Ini, sekali lagi, memperkuat ikatan serat-resin dan menghasilkan sifat mekanik yang lebih tinggi pada FVF yang sebanding dibandingkan produk organosheet lainnya dengan jenis dan persentase pemuatan serat dan matriks yang sama.

Organosheet serat panjang yang inovatif menawarkan distribusi serat acak, pembasahan serat lengkap, dan ikatan serat-resin yang sangat baik, seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas. Di sebelah kiri, bundel serat kaca ditampilkan di ujungnya, dan di kanan menunjukkan bahwa bundel serat individu, dari atas ke bawah, dilapisi sepenuhnya dengan resin.

“Hal yang kami ingin orang-orang pahami adalah bahwa kami tidak memperkenalkan saya-juga yang lain produk organosheet,” jelas Mingfu Zhang, manajer riset senior JM - R&D perusahaan. “Karena kami memulai dengan kaprolaktam, kami dapat membasahi serat dengan lebih mudah dibandingkan dengan yang menggunakan polimer termoplastik. Hasilnya, kami mencapai impregnasi yang lebih baik, fraksi volume serat yang lebih tinggi, dan kinerja yang lebih baik. Faktanya, ini memungkinkan kami untuk membuat produk khusus yang bahkan tidak dapat dicapai di organosheet konvensional.”

Tahun lalu JM mengumumkan telah mengembangkan teknologi dan mengambil sampel secara strategis. Rencananya adalah melakukan soft launching Neomera pada bulan September dan kemudian melakukan hard launching pada bulan berikutnya di Composites &Advanced Materials Expo 2021 (CAMX, 18-21 Oktober, Dallas, Texas, AS).

Peluncuran bertahap

Produk Neomera awal — Seri OS-6 — akan diperkuat dengan kain tenun. “Kami berencana untuk meluncurkan lini produk kami dengan menawarkan arsitektur twill-weave di FVF mulai dari 45 hingga 50%, karena kami melihat banyak permintaan untuk jenis komposit tersebut,” catat Dana Miloaga, pemimpin produk JM - komposit, R&D perusahaan . “Karena ini adalah tenunan yang seimbang dan memberikan sifat drapeability dan orthotropic yang baik, lebih mudah bagi para insinyur yang terbiasa menentukan logam untuk dikerjakan guna mencapai suku cadang yang lebih ringan dan berkinerja lebih tinggi.”

Bentuk anyaman dari keluarga organosheet baru akan diikuti oleh Seri NCF-6 yang menampilkan NCF yang lebih berat, yang secara tradisional telah terbukti menantang untuk diresapi dengan termoplastik konvensional. Akhirnya, versi serat yang terputus-putus tetapi masih lebih panjang (>25 milimeter) direncanakan. Disebut Seri CR-6 dan dikatakan memiliki panjang serat yang konsisten yang membantu mempertahankan sifat pseudo-isotropik, lini produk ini akan bersaing dengan teknologi termoplastik serat panjang seperti GMT dan termoplastik serat panjang langsung (D-LFT). JM melaporkan bahwa pembuat cetakan akan dapat menggunakan setiap produk Neomera sendiri atau dalam kombinasi dengan jenis lain. Misalnya, struktur hibrid yang dapat dicetak dengan kompresi yang terdiri dari strip atau lembaran anyaman atau organosheet NCF dapat digunakan untuk memperkuat jalur beban, sedangkan organosheet yang diperkuat serat diskontinyu dapat digunakan di lokasi di mana geometri yang lebih kompleks seperti rusuk atau bos ditempatkan. “Dalam pengujian, produk CR-6 kami dengan serat diskontinyu telah terbukti menawarkan kemampuan cetakan yang lebih baik daripada GMT serat cincang tradisional,” tambah Zhang.

Sejauh menyangkut pembuat cetakan atau pembuat cetakan, produk baru JM akan diproses seperti organosheet konvensional atau GMT. Persyaratan konstruksi cetakan juga serupa. Satu-satunya penyesuaian yang diperlukan adalah memanaskan dan mencetak organosheet Neomera dengan matriks PA6 pada suhu yang lebih tinggi daripada biasanya untuk PP karena suhu leleh dan cetakan yang lebih rendah. Menariknya, tidak seperti beberapa produk GMT, tidak ada serat kaca yang terangkat setelah pemanasan awal karena pegas, sehingga material tetap terkonsolidasi sepenuhnya. Ini dimungkinkan, kata Zhang, dengan fakta bahwa serat diresapi sepenuhnya dengan kaprolaktam dan itu — karena monomer kemudian dipolimerisasi in situ — mereka mencapai berat molekul yang jauh lebih tinggi daripada organosheet konvensional dengan matriks PA.

Peneliti JM juga telah melakukan karakterisasi bahan dasar untuk membantu insinyur desain mensimulasikan kinerja bagian secara lebih akurat. “Kami telah bekerja sama dengan pelanggan untuk mengidentifikasi data terpenting yang awalnya mereka perlukan untuk melakukan pekerjaan simulasi yang lebih detail,” jelas Miloaga. “Kami berencana untuk membuat blok bangunan yang dapat mereka gunakan sejak awal, karena biasanya diperlukan waktu enam bulan untuk melakukan karakterisasi yang diperlukan untuk mengembangkan kartu bahan lengkap.”

Untuk setiap lini produk yang diperkenalkan, perusahaan mengatakan bahwa mereka memenuhi syarat dua pemasok global untuk memastikan rantai pasokan yang kuat serta akses dan konsistensi global. Lini skala produksi JM di daerah Denver telah memproduksi sejumlah sampel bahan untuk pelanggan, tetapi produksi komersial awal akan dilakukan di Trnava, Slovakia.

Produk Neomera akan ditawarkan dalam warna hitam, dengan pilihan "alami" (putih) dan kemungkinan warna kustom. Awalnya, saat produksi komersial meningkat, produk akan dibuat dan dipotong sesuai pesanan meskipun, dalam jangka panjang, rencananya adalah untuk menyediakan ukuran standar.

Aspek yang menarik dari proses JM adalah dapat menghasilkan lembaran tebal dalam proses yang berkesinambungan. “Salah satu tantangan dengan organosheet yang ada adalah biasanya diproduksi dalam lembaran setebal setengah milimeter, jadi untuk memasok pelanggan dengan produk setebal 3 milimeter, mereka harus mengkonsolidasikan beberapa lembar untuk membuat laminasi, "jelas Zhang. “Kami dapat melewati seluruh langkah pasca-konsolidasi karena kami dapat membuat lembaran setebal 3 milimeter secara langsung. Faktanya, itulah salah satu aspek paling unik dari teknologi kami. Kami tahu kaprolaktam memiliki viskositas seperti air, tetapi kami masih terkejut dengan betapa cocoknya teknologi kami untuk memproduksi laminasi tebal. Ini memberi kami banyak fleksibilitas dalam apa yang dapat kami tawarkan kepada pelanggan. Selain itu, dengan melewatkan langkah pasca-konsolidasi, produk kami menghindari siklus pemanasan lain.”

Apa yang menantang adalah mengendalikan proses manufaktur untuk menangani polimerisasi anionik kaprolaktam yang peka terhadap kelembaban. “Sebelum kami mulai mengerjakan proyek ini, polimerisasi anionik kaprolaktam menjadi PA6 benar-benar hanya dilakukan dalam cetakan tertutup, jadi mengadaptasinya ke proses berkelanjutan untuk menghasilkan produk yang sangat konsisten membutuhkan banyak pekerjaan,” tambah Zhang.

Apa selanjutnya?

Ketika ditanya mengapa pemasok kaca seperti JM ingin memproduksi produk antara daripada hanya melisensikan teknologinya, Klaus Gleich, ilmuwan riset senior JM - R&D perusahaan mengatakan, “Mengingat sifat proses manufaktur kami, sebenarnya tidak banyak orang yang akan mampu membuat materi. Kami tahu kimia dengan sangat baik dan tahu tantangannya, jadi kami berada di posisi terbaik untuk meningkatkan dan mengkomersialkannya. Selain itu, grup R&D kami secara khusus mengembangkan teknologi inovatif ini untuk memperluas bisnis kami dan mengembalikan nilai yang lebih besar kepada pemilik kami di Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., A.S.]. Kami ingin menjadi inovator dan menciptakan peluang pasar baru.”

“Kami melihat tren komposit termoplastik bergerak ke semi-struktural dan aplikasi struktural sejati untuk membuat komponen yang ringan dan berkelanjutan sangat selaras dengan teknologi organosheet baru kami,” tambah Miloaga. Faktanya, dia mengatakan bahwa aplikasi komersial pertama yang menggunakan keluarga Neomera tidak jauh. JM telah menguji coba material di olahraga motor, dan ada juga minat di segmen transportasi lain seperti truk otomotif dan komersial plus barang olahraga. “Kuncinya adalah kita memecahkan masalah,” tambahnya. “Kompetisi itu mahal dan memiliki portofolio terbatas. Kami dapat menghasilkan produk yang berkinerja lebih tinggi namun lebih hemat biaya — kombinasi yang saling menguntungkan.”