JM Meluncurkan Neomera: Garis Organosheet Polimerisasi Reaktif Baru Meningkatkan Peluang Pasar

Musim gugur ini, Johns Manville (JM, Denver, Colo., AS) berencana memperkenalkan produk pertama dalam garis Neomera. Penawaran awal akan berupa in situ-polimerisasi, woven fiberglass-reinforced polyamide 6 (PA6) organosheet, tetapi garis akan secepatnya diperluas untuk mencakup non-crimp fabrics (NCFs) dan serat potong panjang. JM juga mengatakan bahwa matriks termoplastik polimerisasi reaktif tambahan sedang dievaluasi, seperti struktur penguat hibrida (misalnya, menggabungkan serat karbon dan kaca) atau bahkan penguat non-kaca. Perusahaan tersebut menyatakan bahwa karena metode yang berbeda yang digunakan untuk memproduksi material ini dibanding organosheet konvensional dan komposit termoplastik serat panjang, produk Neomera akan menawarkan properti mekanik yang lebih tinggi dengan biaya yang lebih rendah. Inilah yang kami ketahui saat ini tentang material ini.

Metode baru untuk produksi organosheet

Organosheet konvensional - biasanya bentuk khusus komposit kain mat termoplastik (GMT) yang ditingkatkan dengan kain woven - diproduksi dengan matriks polipropilena (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 garis Neomera JM berbeda dari yang sudah tersedia di pasar. Pertama, daripada meleleh impregnasi serat dengan resin PA6 yang sudah terpolimerisasi sepenuhnya, perusahaan melakukan polimerisasi anionik monomerk caprolaktam menjadi PA6 setelah langkah impregnasi. Karena caprolaktam cair memiliki viskositas sangat rendah (~5 centipoise), ia membasahi rovings atau kain jauh lebih efektif dibanding termoplastik yang sudah terpolimerisasi sepenuhnya, yang memiliki rantai polimer jauh lebih panjang dan viskositas yang jauh lebih tinggi. Itu berarti sistem resin polimerisasi reaktif JM mencapai basahi yang jauh lebih baik - lebih seperti termo-set cair - daripada yang mungkin dengan termoplastik yang sudah terpolimerisasi sepenuhnya seperti PA6. Ini, pada gilirannya, sangat mengurangi pori dan memberikan kesempatan untuk menciptakan fraksi volume serat (FVF) yang lebih tinggi - sekitar 50% atau lebih - yang, pada gilirannya, meningkatkan properti mekanik.

Kedua, JM juga merawat serat kaca - baik yang dipotong, woven atau NCFs - dengan sizing kaca reaktif proprietary mereka sebelum diimpregnasi dengan caprolaktam. Ini, lagi sekali, memperkuat ikatan serat-resin dan menghasilkan properti mekanik yang lebih tinggi pada FVF yang sebanding dengan produk organosheet lain dengan jenis dan persentase beban serat serta matriks yang sama.

Organosheet serat panjang inovatif menawarkan distribusi serat acak, basahi serat yang lengkap dan ikatan serat-resin yang luar biasa, seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas. Di kiri, ikatan serat kaca ditampilkan dari ujung, dan kanan menunjukkan bahwa ikatan serat individual, dari atas, sepenuhnya dilapisi resin.

"Yang ingin kami orang pahami adalah kami tidak memperkenalkan produk organosheet me-too lagi," menjelaskan Mingfu Zhang, manajer penelitian senior JM - corporate R&D. "Karena kami memulai dengan caprolaktam, kami dapat membasahi serat dengan jauh lebih mudah dibanding yang menggunakan polimer termoplastik. Akibatnya, kami mencapai impregnasi yang lebih baik, fraksi volume serat yang lebih tinggi dan kinerja yang lebih baik. Faktanya, ini memungkinkan kami untuk menciptakan produk spesial yang bahkan tidak dapat dicapai dalam organosheet konvensional."

Tahun lalu JM mengumumkan bahwa telah mengembangkan teknologi dan sedang melakukannya secara strategis. Rencananya adalah untuk meluncurkan secara soft Neomera pada September dan kemudian meluncurkan secara hard bulan berikutnya pada 2021 Composites & Advanced Materials Expo (CAMX, 18-21 Oktober, Dallas, Texas, AS).

Peluncuran bertahap

Produk Neomera awal - Seri OS-6 - akan ditingkatkan dengan kain woven. "Kami berencana meluncurkan garis produk kami dengan menawarkan arsitektur rajutan twill dengan FVF yang bervariasi dari 45 hingga 50%, karena kami melihat banyak permintaan untuk jenis komposit tersebut," kata Dana Miloaga, pemimpin produk JM - komposit, corporate R&D. "Karena ini adalah weave yang seimbang dan memberikan daya draping yang baik serta properti ortotropik, lebih mudah bagi insinyur yang terbiasa menentukan logam untuk bekerja dengannya guna mencapai bagian yang lebih ringan dan berkinerja tinggi."

Bentuk woven dari keluarga organosheet baru akan diikuti oleh Seri NCF-6 dengan NCF yang lebih berat, yang secara tradisional telah terbukti sulit untuk diimpregnasi dengan termoplastik konvensional. Akhirnya, versi serat tidak berkelanjutan namun masih lebih panjang (>25 milimeter) direncanakan. Disebut Seri CR-6 dan dikatakan memiliki panjang serat yang konsisten yang membantu mempertahankan properti pseudo-isotropik, garis produk ini akan bersaing dengan teknologi termoplastik serat panjang seperti GMT dan direct-long-fiber thermoplastic (D-LFT). JM melaporkan bahwa pengecor akan dapat menggunakan setiap produk Neomera sendiri atau dalam kombinasi dengan jenis lain. Misalnya, struktur hibrida yang dapat dicetak kompresi yang terdiri dari lembar atau helai organosheet woven atau NCF dapat digunakan untuk memperkuat jalur beban, sementara organosheet yang ditingkatkan serat tidak berkelanjutan dapat digunakan di lokasi di mana geometri yang lebih kompleks seperti tulang rusuk atau penguat diletakkan. "Dalam pengujian, produk CR-6 kami dengan serat tidak berkelanjutan telah terbukti menawarkan moldabilitas yang lebih baik dibanding GMT serat potong tradisional," menambahkan Zhang.

Seperti yang dirasa oleh pengecor atau pembuat cetakan, produk baru JM akan diproses seperti organosheet atau GMT konvensional. Persyaratan konstruksi cetakan juga serupa. Penyesuaian satu-satunya yang diperlukan adalah memanaskan terlebih dahulu dan mencetak organosheet Neomera dengan matriks PA6 pada suhu yang lebih tinggi dibanding typikal untuk PP karena suhu leleh dan pencetakan PP yang lebih rendah. Menariknya, tidak seperti beberapa produk GMT, tidak ada lofting serat kaca setelah pemanasan karena springback, sehingga material tetap sepenuhnya dikonsolidasikan. Ini dimungkinkan, kata Zhang, karena fakta bahwa serat sepenuhnya diimpregnasi dengan caprolaktam dan bahwa - karena monomerk kemudian dipolimerisasi in situ - mereka mencapai bobot molekul yang jauh lebih tinggi dibanding organosheet konvensional dengan matriks PA.

Peneliti JM juga telah melakukan karakterisasi material dasar untuk membantu insinyur desain mensimulasikan kinerja bagian dengan lebih akurat. "Kami telah bekerja sama dengan pelanggan untuk mengidentifikasi data terpenting yang akan mereka butuhkan awalnya untuk melakukan pekerjaan simulasi yang lebih rinci," menjelaskan Miloaga. "Kami berencana menghasilkan blok bangunan yang dapat mereka gunakan awalnya, karena biasanya memakan waktu enam bulan untuk melakukan karakterisasi yang diperlukan untuk mengembangkan lembar material lengkap."

Untuk setiap garis produk yang diperkenalkan, perusahaan mengatakan bahwa sedang memenuhi syarat dua pemasok global untuk memastikan rantai pasokan yang kuat dan akses serta konsistensi global. Garis produksi skala JM di area Denver telah memproduksi jumlah sampel material untuk pelanggan, tetapi produksi komersial awal akan terjadi di Trnava, Slovakia.

Produk Neomera akan ditawarkan dalam warna hitam, dengan opsi "natural" (krem) dan kemungkinan warna custom. Awalnya, seiring dengan peningkatan produksi komersial, produk akan dibuat dan dipotong sesuai pesanan meskipun, jangka panjang, rencananya adalah untuk menstok ukuran standar.

Aspek menarik dari proses JM adalah ia dapat menghasilkan lembar tebal dalam proses kontinu. "Salah satu tantangan dengan organosheet yang ada adalah biasanya diproduksi dalam lembar tebal setengah milimeter, jadi untuk menyuplai pelanggan dengan produk tebal 3 milimeter, mereka harus melakukan konsolidasi pasca beberapa lembar untuk membuat laminat," menjelaskan Zhang. "Kami dapat melewati langkah konsolidasi pasca ini sepenuhnya karena kami dapat membuat lembar tebal 3 milimeter secara langsung. Faktanya, itu adalah salah satu aspek paling unik dari teknologi kami. Kami tahu caprolaktam memiliki viskositas seperti air, tetapi kami masih terkejut dengan seberapa cocok teknologi kami untuk menghasilkan laminat tebal. Ini memberi kami banyak fleksibilitas dalam apa yang dapat kami tawarkan kepada pelanggan. Selain itu, dengan melewati langkah konsolidasi pasca, produk kami menghindari siklus pemanasan lain."

Yang menantang adalah mengontrol proses manufaktur untuk menangani polimerisasi anionik caprolaktam yang sensitif terhadap kelembaban. "Sebelum kami mulai bekerja pada proyek ini, polimerisasi anionik caprolaktam menjadi PA6 sebenarnya hanya dilakukan dalam cetakan tertutup, jadi menyesuaikannya ke proses kontinu untuk menghasilkan produk yang sangat konsisten memerlukan banyak pekerjaan," menambahkan Zhang.

Apa selanjutnya?

Saat ditanya mengapa pemasok kaca seperti JM ingin memproduksi produk perantara daripada hanya melisensikan teknologinya, Klaus Gleich, ilmuwan penelitian senior JM - corporate R&D berkata, "Diberi sifat proses manufaktur kami, sebenarnya tidak banyak orang yang akan mampu membuat material. Kami mengenal kimianya dengan sangat baik dan tahu tantangannya, jadi kami paling berhak untuk menskalanya dan mengkomersialkannya. Di luar itu, grup R&D kami khususnya mengembangkan teknologi inovatif ini untuk memperluas bisnis kami dan memberikan nilai yang lebih besar kepada pemilik kami di Berkshire Hathaway [Omaha, Neb., AS]. Kami ingin menjadi inovator dan menciptakan peluang pasar baru."

"Kami melihat tren komposit termoplastik yang bergerak ke aplikasi semi-struktural dan struktural sebenarnya untuk membuat komponen ringan dan berkelanjutan sangat selaras dengan teknologi organosheet baru kami," menambahkan Miloaga. Faktanya, dia mengatakan bahwa aplikasi komersial pertama menggunakan keluarga Neomera tidak jauh lagi. JM telah mencoba material di motorsport, dan juga ada minat di segmen transportasi lain seperti otomotif dan truk komersial serta barang olahraga. "Kunci adalah kami memecahkan masalah," dia menambahkan. "Kompetisi mahal dan memiliki portofolio yang terbatas. Kami dapat memproduksi produk yang berkinerja lebih tinggi dan lebih hemat biaya - kombinasi yang menguntungkan semua pihak."