Pita Termoplastik Berkinerja Tinggi Dikuatkan dengan Serat Karbon PAN Berbasis Tekstil

Sebuah tantangan yang berkepanjangan dalam industri komposit lanjutan adalah untuk menemukan cara untuk memproduksi serat karbon dengan biaya lebih rendah sehingga semua industri yang ingin menggunakan penguat komposit yang berharga dan efektif ini dapat. Biaya serat karbon telah turun secara signifikan berkat dekade kerja untuk meningkatkan produktivitas melalui kimia prekursor, inovasi mesin, peningkatan proses dan lainnya.

Salah satu area yang telah menunjukkan janji yang besar adalah penggunaan prekursor alternatif untuk poliakrilonitril (PAN) kelas penerbangan konvensional. Misalnya, Departemen Energi AS (DOE, Washington, D.C., AS) dan Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tenn., AS) telah mengembangkan metode untuk memproduksi serat karbon dari prekursor alternatif yang bervariasi dari polimer, hingga lignin, hingga batu bara.

Prekursor Alternatif

Salah satu prekursor alternatif yang paling menjanjikan, dan yang paling dekat dengan komersialisasi, adalah PAN berbasis tekstil, yang mirip dengan serat yang digunakan untuk menghasilkan kemeja akrilik. Seperti prekursor alternatif lainnya yang telah diselidiki ORNL, serat karbon PAN berbasis tekstil (TCF) berbeda dari serat karbon PAN penerbangan spesialis dalam beberapa cara.

Salah satu perbedaannya adalah prekursor PAN berbasis tekstil, karena dimaksudkan untuk digunakan di industri tekstil (pikirkan tirai, pakaian, kain furnitur), disuplai dalam format tow lebar yang secara inheren lebih murah daripada prekursor PAN penerbangan spesialis. Selama produksi serat karbon, ini berdampak pada peningkatan throughput dan penurunan biaya konversi dibandingkan serat PAN konvensional. Ini juga cenderung menghasilkan tow serat yang jauh lebih besar — sekitar 300K hingga 450K pada garis di Carbon Fiber Technology Facility ORNL dibandingkan 3K hingga 50K yang tipikal dari serat karbon PAN konvensional. Terkait, sementara memerlukan waktu lebih lama untuk memproses prekursor TCF, karena tidak mengandung akselerator reaksi seperti PAN konvensional dan biasanya dijalankan pada suhu yang lebih rendah (fungsi dari kebutuhan untuk menyeimbangkan waktu tinggal dan suhu), fakta bahwa banyak lebih banyak serat dapat diproses pada satu waktu dan penggunaan energi lebih rendah pada basis bobot atau volume membantu mengurangi biaya. Faktanya, ORNL mengestimasi ~60% penghematan energi total untuk konversi serat dan ~50% penghematan biaya mungkin.

Hal ini giliran memberikan kesempatan untuk memproduksi serat yang lebih murah dalam jumlah yang tidak biasa besar, dan untuk menggunakannya untuk membuat produk dengan jejak karbon yang lebih kecil. Di industri seperti otomotif/transportasi darat, elektronika konsumen, barang olahraga, bangunan/konstruksi dan energi angin, TCF adalah penguat yang menarik karena aplikasi cenderung didorong oleh kekakuan, dibandingkan aplikasi yang didorong oleh kekuatan di penerbangan. Terkait, industri non-penerbangan potensialmente dapat mengkonsumsi banyak serat.

Namun, TCF masih merupakan produk yang berbeda dari serat karbon PAN konvensional, jadi pekerjaan diperlukan tidak hanya untuk lebih baik mengkarakterisasi serat ini, tetapi juga untuk menemukan cara untuk mengonversi dan menggunakannya. Karena dapat diproses dalam band tow ultrawide, prekursor ini memerlukan modifikasi alat proses sepanjang proses produksi serat. Ini juga mengubah modifikasi permukaan pasca-produksi dan kemasan, dan tentu saja akan mempengaruhi proses konversi mulai dari pembuatan pita dan kain hingga prepreg dan preform.

Mengenali semua cara TCF dapat menyelesaikan masalah keterbatasan/biaya serat karbon di satu sisi, tetapi juga menciptakan masalah baru dalam cara menangani, mengonversi dan memaketkan material ini di sisi lain, Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Knoxville, Tenn., AS) telah bekerja pada sejumlah proyek penelitian yang didukung anggota selama tiga tahun terakhir untuk mengatasi masalah ini. Salah satu proyek menarik telah melihat cara untuk mengonversi band tow ultrawide TCF menjadi pita komposit termoplastik.

Mengurangi Biaya

Minat terhadap pita komposit termoplastik telah meningkat di banyak industri, tetapi produk ini cenderung mahal, karena peralatan khusus dan keahlian diperlukan untuk berhasil menghanyutkan serat mana pun dengan resin termoplastik yang telah dipolimerisasi, berat molekul tinggi dan viskositas tinggi dibandingkan dengan sekawan termoretak yang belum bereaksi dan viskositas rendah. Terlalu mudah untuk memproduksi pita dengan banyak void dan basah serat yang buruk, berakhir dengan bagian akhir yang tidak hanya terlihat buruk, tetapi berisiko kegagalan dini.

Dr. Uday Vaidya, profesor dan gubernur’s chair untuk Advanced Composites Manufacturing, University of Tennessee-Knoxville (UTK, Knoxville, Tenn., AS) dan IACMI chief technology officer (CTO), telah bekerjasama pada program komposit termoplastik sejak awal tahun 2000-an dengan George Husman, presiden Husman Consulting Inc. (Cape Coral, Fla., AS) dan direktur pensiun dan CTO Zoltek Co. Inc. (St. Louis, Mo., AS). Interaksi banyak mereka mengarah pada ide impregnasi inline serat karbon tow konvensional berat (24K hingga 50K) untuk memproduksi pita komposit termoplastik di bagian akhir garis produksi serat. Memproduksi pita segera setelah produksi serat akan menghilangkan langkah proses perantara terpisah dan semua pengiriman dan penanganan yang melibatkan. Diharapkan ini akan membantu mengurangi biaya pita dan bagian yang terbuat dari pita tersebut.

Mencapai konsep ini memerlukan pengembangan dalam proses dan peralatan untuk membuat pita termoplastik terpeluru serat karbon dalam ukuran tow yang berbeda. Vaidya dan Husman mengajukan paten sementara bersama dengan University of Tennessee Research Foundation (UTRF, Knoxville, Tenn., AS) pada 2018 mencakup proses untuk produksi inline pita termoplastik yang diperkuat dengan tow serat karbon hingga 50K. Tahun berikutnya, Vaidya dan tim UTK-nya memperluas pekerjaan ini untuk mencakup impregnasi termoplastik dari TCF ultra-wideband (300K hingga 450K tow) dengan pengajuan kedua.

Pita TCF TP

Seperti yang dapat diharapkan, tidak ada kekurangan tantangan teknis yang harus diatasi sepanjang jalan. Pakan serat dan penanganan memerlukan modifikasi peralatan yang signifikan, karena TCF cenderung lebih lebar dan melibatkan lebih banyak filamen daripada serat konvensional. Ini juga cenderung mengalami perilaku catenary selama langkah impregnasi serat dalam produksi pita. Itu berarti gelombang sinusoidal terbentuk saat tow memasuki die impregnasi, menyebabkan tow terbagi secara tidak merata dan memasuki die dengan tegangan yang berbeda, mengarah pada pita yang memutar, berubah bentuk dan mencapai basah serat yang buruk.

“Menemukan cara untuk mempertahankan keseimbangan antara tegangan serat dan fleksibilitas ternyata sangat menantang dan memerlukan banyak pekerjaan,” menjelaskan Vaidya. “Tim kami mulai memahami betapa pentingnya mempertahankan integritas tow untuk menyebarkan filamen dan mencapai tingkat basah yang tinggi, yang tentu saja, kritis untuk menghasilkan pita berkualitas.”

Kemudian ada masalah sizing. Band tow TCF dihalangi dengan sizing yang tebal untuk membantu serat bergerak dengan lancar dari creel ke die impregnasi tempat basah dengan resin untuk menghasilkan pita. Namun, setelah di die, penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa untuk mencapai basah yang baik dengan termoplastik viskositas tinggi, kehadiran sizing sebenarnya menghalangi impregnasi, membuatnya sangat diinginkan untuk menghapus sizing. Percobaan dan kesalahan akhirnya membawa tim untuk mengembangkan teknik untuk membakar sizing tepat sebelum tow memasuki die impregnasi.

Untuk memprediksi rheology resin dan pakan polimer secara akurat melalui die impregnasi dan membuat pita yang baik, pekerjaan simulasi dan validasi baru diperlukan. Tim difokuskan pada produksi pita TCF dengan polipropilena (PP) serta poliamida 6 (PA6) — dua termoplastik yang banyak digunakan di otomotif untuk ketahanan dan keterjangkauan mereka. Tim menggunakan perangkat lunak desain die ekstrusi PolyXtrue dari Plastic Flow LLC (Hancock, Mich., AS), yang didasarkan pada model Williams-Landel-Ferry (WLF) dan memberikan korelasi yang luar biasa dengan hasil pengukuran rheology dan shear-rate.

Desain die itu sendiri adalah area penelitian penting lainnya, terutama saat tim beralih dari tow standar 12K hingga 50K, dan kemudian ke tow TCF ultra-wideband. Pada tahap itu, die harus dirancang ulang sepenuhnya dan proses dua tahap diadaptasi. Pada tahap pertama, serat diimpregnasi; pada tahap kedua, sudut break yang dioptimalkan untuk pin tensioning/impregnasi — yang mengontrol tegangan di mana serat karbon ditarik, fraksi bobot serat (FWF), serta kontrol kualitas — diatur untuk mencapai properti yang diinginkan dalam pita yang selesai. Saat ini, tim telah menghasilkan pita 30-50% FWF baik dalam PP maupun PA6, bahkan dengan tow yang lebih berat.

Untuk pendinginan cepat pita setelah keluar dari die, sistem pendingin udara pasca-impregnasi dikembangkan. Tim bahkan harus menyelesaikan metode untuk mengambil pita yang selesai ke creel/spul, mengingat lebar produk dan tantangan penggunaan downstream dari pita tersebut.

Vaidya mengatakan tim saat ini difokuskan pada integrasi elektronik, yang mencakup pembuatan antarmuka pengguna grafis resmi dan pengembangan sistem berbasis programmable-logic controller (PLC). Akhirnya, tujuan tim adalah untuk mengembangkan modul produksi pita termoplastik yang dapat ditambahkan ke bagian akhir garis produksi TCF atau serat karbon konvensional untuk memfasilitasi produksi pita termoplastik sekunder/perantara.

“Tim kami telah menghadapi banyak tantangan teknis, tetapi kami juga telah memiliki beberapa pencapaian,” Vaidya menjelaskan. “Menangani band tow yang sangat lebar dan berhasil — dan cepat — menghanyutkan serat untuk mencapai pita termoplastik berkualitas tanpa void telah sulit. Namun, tim kami telah mengeksplorasi sejumlah parameter proses, termasuk berbagai iterasi desain die; simulasi aliran polimer melalui die; dan berbagai aspek pakan serat, tensioning dan pemanasan awal. Tidak hanya kami telah membuktikan beberapa klaim dalam paten kami, tetapi kami juga telah mencapai kecepatan garis impregnasi 12 kaki/menit [3,7 meter/menit] saat memproduksi pita polipropilena dan PA6 30% FWF.”

Langkah Berikutnya

Vaidya mengatakan perlindungan hak kekayaan intelektual yang melingkupi teknologi pita ini telah diajukan kepada UT Research Foundation — satu dengan serat 24K dan 50K tradisional dan satu dengan serat tow lebar. Komersialisasi, katanya, akan difokuskan pada impregnasi inline dalam garis serat karbon. “Ini akan sangat mengurangi pemrosesan pasca dan dapat disesuaikan dengan mudah, menurunkan biaya keseluruhan perantara lebih jauh,” katanya.

Bagaimana pita ini dapat diterapkan? Vaidya mengatakan opsi-opsinya banyak: “Misalnya, material dapat dicacah menjadi bentuk serat panjang, digunakan sebagai bahan baku pultrusion, filament winding tangki besar, overmolding (mirip organosheet) dalam kompresi molding, lembar stok dalam proses hibrid — misalnya, dengan LFT [serat panjang termoplastik], SMC [sheet molding compound] dan material sinergis lainnya.” Ini membuka rentang jenis produk yang akan mendapat manfaat dari peningkatan kekakuan, ketahanan benturan yang tinggi dan proses yang ditingkatkan seperti bentuk, tarikan dan lengkungan, daur ulang dan kimia yang dapat dibalik.

Aplikasi, katanya, mencakup otomotif, truk, daun angin, infrastruktur (jembatan), konstruksi, barang olahraga, produk laut dan offshor. “Serat karbon tow lebar termoplastik perantara mungkin sekarang menawarkan jalan untuk mempertimbangkan serat karbon di mana sebelumnya terlalu mahal,” Vaidya menyimpulkan.