Industrializing Thermoplastic Epoxy: Innovations and Applications
Cecence (Salisbury, Inggris) didirikan pada 2014 oleh tiga pendiri dengan pengalaman komposit bertahun-tahun. Direktur Mike Orange memiliki sejarah panjang dalam rigging dan tiang komposit terkuat serat karbon (CFRP) untuk kapal perahu. Kepala inovasi Humphrey Bunyan sebelumnya adalah kepala inovasi di Future Fibres (Valencia, Spanyol). "Mereka [Future Fibres] membuat rigging sepenuhnya komposit untuk America's Cup dan kapal balap lainnya, serta tali CFRP untuk memegang roda pada mobil Formula 1," kata Orange (lihat "Yachtbuilding composites: Rigged for success"). "Kami memahami keuntungan ringan tetapi terlibat dengan sektor lain yang tidak memiliki pengalaman kami dan kesulitan dengan biaya, peningkatan skala manufaktur dan memenuhi regulasi kebakaran."
Oleh karena itu, Cecence (dinyatakan "see-sense, as in common sense with carbon fiber composites) didirikan untuk berfokus pada resistensi kebakaran, manufaktur industri dan keberlanjutan. Ini menghasilkan perkembangan seperti kursi penumpang pesawat komposit serat karbon/bioresin compression molded yang hanya berat 7,5 kilogram, mengurangi ketebalan kursi menjadi kurang dari 20 milimeter dan meningkatkan ruang penumpang dan kenyamanan, sambil memenuhi semua persyaratan api, asap dan toksisitas (FST).
"Dalam proyek sebelumnya, Cecence telah mengembangkan metode manufaktur hot press yang menyederhanakan waktu siklus dari 2,5 jam menjadi 7 menit untuk kursi penumpang economy class menggunakan phenolics snap-cure yang dikembangkan dengan prepregger Inggris FTI (Somerset)," kata Orange. Untuk kursi penumpang terbaru yang dijelaskan di atas, yang dikembangkan dengan Design Q (Redditch, Inggris), Cecence memperluas portofolio FST-nya dengan menggunakan prepreg resin alkohol furil (PFA) yang dikembangkan oleh SHD Composites (Sleaford, Inggris). PFA adalah polimer termoet yang berasal dari biomass yang berkinar seperti fenolik dengan pemrosesan permukaan yang sangat baik dan keberlanjutan (lihat "Withstanding fire without the weight"). "Kami bekerja dengan SHD Composites dan mendorong kimia mereka untuk pengeringan yang lebih cepat," kata Orange. "Itulah yang kami lakukan: mengambil material, proses dan desain dan mengembangkannya lebih lanjut sehingga produk komposit dapat diproduksi secara skala dengan cara yang komersial dan berkelanjutan."
Kecepatan manufaktur dan keberlanjutan adalah faktor kunci ketika Cecence menemukan sistem resin epoxy termoplastik beberapa tahun yang lalu. "Termoplastik ini dengan komponen epoxy di ujung rantai polimernya sedang digunakan oleh sebuah perusahaan kain yang tidak menyadari potensinya dalam komposit," menjelaskan Orange.
"Kami segera memahami keuntungan termoplastik viskositas rendah yang dapat mengimpregnasi serat dengan sangat baik sambil memungkinkan epoxy yang dapat diform termo," kata Humphrey Bunyan. Cecence mengembangkan prepreg berdasarkan teknologi epoxy termoplastik ini, dan kemudian sebuah keluarga produk dengan merek K_Series: coilable K_Rod, semi-preg K_Plate tebal 0,25- hingga 1,98 milimeter, dan K_Chip molding compound (Fig. 1). "Kami telah dapat press-molding komponen dalam kurang dari tiga menit," kata Orange, "dan telah menunjukkan varian FR yang memenuhi persyaratan FST untuk interior pesawat." Cecence juga telah menggunakan material ini untuk mengembangkan sistem overhead line equipment (COHLE) komposit untuk jalur kereta listrik yang mengurangi jumlah tiang dukungan setengahnya dan biaya instalasi dan operasi keseluruhan sebesar £100.000 ($124.200) per kilometer.
Thermoformable epoxy
"Dengan termoplastik umum, Anda memiliki matriks polimer viskositas tinggi yang sulit dipaksa ke dalam serat," menjelaskan Bunyan. "Jadi, sulit untuk mendapatkan impregnasi yang baik pada tow atau kain. Tetapi epoxy termoplastik K_Series memiliki viskositas sangat rendah — 80 centipoise pada 100°C. Ini memungkinkan kami untuk prepreg penguat kaca, serat karbon dan serat alam dengan distribusi resin-ke-serat yang sangat baik dan biasanya 60% kandungan serat menurut berat. Kami juga dapat menggunakan serat dengan sizing untuk epoxy, yang biasanya tidak kompatibel dengan termoplastik." Dan namun, sistem ini adalah termoplastik sejati, yang memungkinkan reforming bagian yang sudah jadi pada 180-200°C tanpa reaksi kimia atau exotherm.
"Seperti epoxy, ia menempel dengan baik pada serat, sehingga tidak ada pemisahan serat dari matriks, bahkan jika Anda menggunakan tekanan yang lebih tinggi selama molding," catat Orange. Ini merujuk pada masalah yang pernah dilihatnya dengan kompaun poliamida (PA) dan polipropilena terkuat serat pendek. "Kami bekerja dengan lapisan PA yang dilelehkan pada kain melalui hot pressing untuk membuat lembar datar. Matriks tidak menempel pada serat, hanya melingkari mereka. Jadi, saat ditekan menjadi bagian, Anda akan mendapatkan serat yang tertarik keluar."
K_Plate, yang diproses pada 150-220°C, menawarkan suhu pelayanan 100°C untuk paparan singkat dan penggunaan berkelanjutan pada 90°C. Kompaun K_Chip tow unidirectional dicincang dipres pada 240°C. "Tg [suhu transisi kaca] dan awal deformasi panas untuk K_Series lebih rendah dibandingkan epoxy umum, tetapi ini juga yang membuat reforming dan daur ulang mungkin," kata Orange. Proses K_Series juga cepat. "Cecence bekerja dengan RocTool [Le Bourget du Lac, Prancis] di JEC 2016 untuk menunjukkan forming termoplastik tercepat yang mereka pernah lihat," katanya, mencatat waktu siklus 2 menit, 40 detik untuk hood mobil. "Waktu tinggal hanya 25 detik sebelum pendinginan, menggunakan tekanan 8-9 bar di atas membran vakum. Mereka juga puas dengan finishing permukaan matte dan gloss [lihat gambar pembuka], mencatat bahwa material kami memberikan finishing terbaik dari semua yang dicoba."
Selain itu, komponen epoxy dalam produk K_Series membuat bagian komposit mudah dicat dan ditempel, tanpa primer khusus dan persiapan yang diperlukan untuk termoplastik tradisional. "Anda dapat secondary bonding mereka menggunakan perekat standar," tambah Bunyan. "Anda juga mendapatkan properti geser antar lapisan yang baik, dan secara keseluruhan, ini membuat struktur yang kuat dan menyerap energi, berkat termoplastik."
CFRP catenary for lower-cost electric railways
Kebendaan ganda epoxy termoplastik ini ditunjukkan dalam sistem overhead line equipment (OHLE) yang dikembangkan oleh Cecence menggunakan catenary CFRP yang dibuat dengan K_Rod. Catenary dan kawat kontak yang mengarungi arus adalah dua kawat utama dalam OHLE kereta listrik (Fig. 2). Listrik disampaikan ke lokomotif kereta melalui pantograph, yang menjalar dari atas lokomotif untuk menekan kawat kontak. "Catenary bertindak seperti jembatan gantung antara pylon (tiang, pohon), yang jaraknya setiap 25 meter sepanjang rel," Orange menjelaskan. Kawat kontak tembaga digantung dari catenary oleh kawat dropper vertikal atau droppers, banyak seperti jalan raya didukung dari kabel dalam jembatan gantung.
"Dengan menggunakan kabel tegang K_Rod sebagai catenary, ia dapat berada hanya 70 milimeter di atas kawat kontak tembaga," Orange menunjukkan (Fig. 3). "Seluruh sistem lebih kompak dengan dampak visual yang jauh lebih rendah pada lingkungan." Sistem OHLE konvensional menggunakan kabel catenary baja, yang berubah panjang seiring perubahan suhu. "Pada musim panas, mereka melebar hingga 400 milimeter per kilometer," katanya. Untuk mengatasi pemerosotan pada garis, bobot konkrit pada roda geser diinstal sebagai sistem penegangan otomatis, tetapi menambahkan biaya keseluruhan.
"Bobot garis baja dan profil pemerosotannya juga adalah mengapa begitu banyak tiang diperlukan," Orange mencatat. "Kabel CFRP kami hanya berubah panjang 7 milimeter per kilometer pada musim panas karena ekspansi termal yang dapat diabaikan dari serat karbon menciptakan komposit yang stabil termal. Ia juga 80 persen lebih ringan dari kabel baja, tidak meremuk dan memungkinkan jarak pylon 50 meter, yang mengurangi jumlah pylon yang diperlukan menjadi setengah." Ini memungkinkan penghematan biaya lebih lanjut karena untuk setiap pylon ada crossarm cantilevered, yang didukung oleh kawat stay.
Selanjutnya, sistem OHLE konvensional menggunakan semua komponen logam, yang memerlukan penambahan insulator untuk mencegah konduksi arus listrik yang tidak diinginkan. "COHLE Cecence tidak perlu semua insulator karena ia menggunakan tiang komposit serat kaca (GF) dan crossarm serta kawat stay komposit nonkonduktif," Orange menjelaskan. "Kami juga menggunakan dropper perantara yang dibuat dari polylactic acid (PLA) cetak 3D. Tidak seperti sistem logam, tiang tidak perlu dicat secara teratur dan komposit tahan karat memerlukan pemeliharaan yang lebih sedikit."
"Epoxy termoplastik memainkan peran kunci dalam catenary CFRP," lanjutnya. "Cecence menggunakannya di dalam inti serat karbon K_Rod dan dalam jas overbraided komposit GF. Hasilnya adalah kabel ringan, berkuat tinggi, terinsulasi yang dapat digulung dan melekat dengan baik ketika ditempel ke dalam soket, menyelesaikan masalah terminasi yang biasanya sulit untuk kabel komposit serat karbon. Berkat transfer beban yang luar biasa dari inti ke soket melalui overbraid, kami tidak memerlukan panjang soket yang besar dan sistem ini mudah, sehingga praktis untuk dipasang di lapangan oleh teknisi kereta api."
Meski kabel CFRP berbiaya tiga kali lipat dari kabel catenary baja, biaya keseluruhan sistem dikurangi dari £512.000 menjadi £413.000 per kilometer, kata Orange. Biaya ini, yang dihitung dengan perusahaan teknik dan infrastruktur multinasional Atkins (London, Inggris), mencakup penghematan operasi/pemeliharaan sebesar £400.000 hingga £3,4 juta per kilometer selama masa pakai sistem.
"Cecence menyampaikan komponen prototipe pada Mei 2019," kata Orange, "dan mitra pengembangan kami telah dijadwalkan untuk memasang garis listrik pada Februari 2020, tetapi itu ditunda karena COVID-19. Seluruh sistem dipamerkan di Advanced Engineering Show pada 2019 dan memenangkan Composites UK Innovation Award."
Further K_Series applications and development
Selain aplikasi OHLE, Cecence mengejar peluang lain untuk menerapkan produk K_Series-nya. "Cecence juga telah bekerja pada proyek di mana kabel K_Rod digunakan sebagai jangkar untuk lereng batu dalam proyek konstruksi di Swiss," kata Orange. "Mitra proyek kami akan bor lubang 80 meter dalam batuan, memasukkan kabel CFRP dan kemudian mengisi dengan beton. Ada hasil tes yang luar biasa, tetapi mitra akademis tidak pernah terhubung dengan industri untuk mengembangkan proyek ini di luar skala laboratorium. Namun, kami mengejar demonstrasi lain, namun sistem ini tahan karat dan memberikan transfer beban yang baik. Ia juga dapat diterapkan sebagai jangkar tanah untuk berbagai sistem konstruksi, seperti bangunan tahan badai."
Video di YouTube dan situs web Cecence menunjukkan termoformabilitas produk K_Plate-nya. "Telah ada diskusi untuk mengeksplorasi aplikasi untuk airfoil geometri variabel/morphing dengan perusahaan penerbangan Inggris," kata Orange. Cecence mendemonstrasikan materi otomotif hemat biaya menggunakan K_Chip yang dibuat dengan tow komposit dicincang sebagai material hibrida CF/GF/epoxy termoplastik, mempertahankan rasio 2:1 karbon terhadap kaca, dikonfirmasi melalui pengujian.
Perusahaan juga telah mengembangkan K_Series suhu tinggi dengan Tg 250-300°C yang diproses pada 360-400°C. "Ini digunakan untuk produsen mobil yang ingin bagian CFRP-nya bertahan pada proses cat E-Coat 180°C mereka," kata Orange. "Kami juga memiliki bahan K-FR, yang dapat lulus persyaratan vertical burn, heat release dan smoke toxicity pesawat FST, dan kami sedang melihat bagaimana membantu dengan redaman getaran untuk mengurangi kebisingan kabin pesawat. Kami dapat menyesuaikan termoplastik dan menambahkan lapisan elastomer untuk mencapai pengurangan kebisingan yang signifikan."
Samantha Bunyan, pendiri ketiga Cecence dan kepala keterlibatan industri, menunjukkan bahwa daur ulang juga adalah area kunci pengembangan. Cecence adalah bagian dari konsorsium ReDisCoveR Composites, yang dioperasikan oleh National Composites Centre (Bristol, Inggris). Didirikan pada April 2019 dan mengejar 24 proyek sepanjang empat alur: daur ulang, pembongkaran, material sirna dan penggunaan kembali. "Dalam proyek-proyek ini, kami melihat pembongkaran komponen dan mendemonstrasikan daur ulang yang nyata dari komposit termoplastik," kata Bunyan. "Industri akhirnya dipaksa untuk membuktikan daur ulang yang mereka klaim selama bertahun-tahun. Cecence melihat manfaat dari dapat mendaur ulang produk epoxy termoplastik K_Series, tetapi juga harus mendemonstrasikan proses dan kelayakan ekonomi untuk ini."
"Kami yakin masih ada ruang yang besar untuk komposit berkelanjutan dalam transportasi massal, termasuk interior pesawat, kursi dan aplikasi kereta api," kata Orange, menambahkan bahwa Cecence tidak hanya mitra dalam pengembangan tetapi juga dalam manufaktur. "Kami telah membuat 2.500 kursi penumpang komposit untuk pesawat tipe A320 hingga saat ini dan sedang melacak untuk memproduksi kursi penumpang paling ringan dan tipis di industri sebelum wabah COVID-19. Limbah dari kursi komposit dapat digunakan kembali di tambak kaki dan pegangan tangan. Recyclate juga dapat digunakan di bagian pendukung lain yang saat ini menggunakan plastik prima. Semua ini dapat membantu mengurangi konsumsi bahan bakar fosil dan emisi serta memfasilitasi elektrik dan meningkatkan keberlanjutan."
Dalam komposit, catat Samantha Bunyan, "keberlanjutan adalah tiga aspek: material, pemrosesan (cepat dan hemat energi) dan rantai pasokan. Kami sedang mengganggu semuanya, bekerja dengan inovator dari seluruh dunia yang tidak terlihat karena sebagian besar orang hanya melihat perusahaan besar. Dunia membutuhkan solusi baru yang bekerja untuk industri. Itulah yang dilakukan Cecence."
