帝京(Teijin) 熱塑性膠帶擴張內情
帝京在德國海因斯貝格的新型熱塑性預浸料生產線的特點是能夠生產寬達61厘米（24英寸）的超寬膠帶。該生產線還為熱塑性單向（UD）膠帶生產提供了前所未有的工藝和質量控制。
預計熱塑性復合材料將在各種下一代飛機的主要結構制造中發揮更大的關鍵作用，從大型商用噴氣式客機到小型電動垂直起降（eVTOL）飛機，這些飛機將成為新興的先進空中機動（AAM）市場的核心。滿足這一需求將需要開發和制造滿足日益嚴格的質量要求的熱塑性膠帶——單向（UD）和多軸。
Teijin Carbon Europe GmbH（德國伍珀塔爾）正是考慮到了這些挑戰，最近在其德國 Heinsberg 工廠安裝并調試了第二條熱塑性膠帶生產線。第一條生產線于 2011 年投入使用，符合波音公司的應用條件，旨在提供數量和寬度足以用于研發和低批量生產的熱塑性膠帶。
第二條生產線于2019年投入使用，使用了與第一條生產線相同的制造技術，但其規模、速度和一致性代表著制造能力的全面顯著提高。Teijin Carbon Europe的開發總經理 Willem Jan ter Steeg 通過視頻向我們介紹了CW公司新的碳纖維熱塑性膠帶生產線，并向我們介紹該系統及其功能。
寬、快、長、可重復
當他開始參觀該生產線時，ter Steeg 指出，新生產線提供的工藝控制為帝京提供了前所未有的能力，可以快速、一致地生產熱塑性膠帶，這些膠帶符合寬度、厚度、面重、樹脂分布、纖維體積分數（FVF-fiber volume fraction）、結晶度和孔隙率等嚴格的質量標準。
首先，也是最值得注意的是，這條新生產線可以生產寬度為 12 或 24 英寸的膠帶，這在熱塑性復合材料供應鏈中并不常見。第二，ter Steeg 指出，新生產線具有很大的靈活性，包括多達 220 個筒子架位置，以及調節濕度、溫度、鋪展參數、張力和基質含量的能力。ter Steeg 說：“我們有可能達到基質含量的34%到大約40%或42%。”。“理論上我們可以達到 50%，但沒有要求。”該生產線通常生產纖維面積重量（FAW- fiber areal weights）為 97-200 gsm的膠帶；200gsm多的FAW已經被證明。
這張來自帝人新生產線的熱塑性膠帶的顯微照片展示了制造過程的一致性和均勻性。熱塑性預浸膠帶的質量在過去十年中一直在穩步提高。
UD碳纖維是新生產線上加工的主要增強材料，但也可以使用芳綸等其他材料。碳纖維直接來自帝京，帝京是世界上最大的碳纖維制造商之一。
當纖維從筒子架中出來并張緊到生產線上時，它們進入浸漬單元。在這里，ter Steeg 指出，浸漬單元將樹脂基質分散為粉末，然后與乳化劑混合并應用于纖維。與熔融浸漬相比，該公司更喜歡這種方法，因為它能提供更一致、更均勻的聚合物分散。
帝京主要在該生產線上預浸聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS），低熔體聚芳醚酮（LMPAEK）和聚醚酮酮（PEKK）的加工頻率較低。ter Steeg 指出，其他樹脂基質系統也可以加工，但前提是它們與漿料中的乳化劑相容。
Teijin Carbon America 的航空航天營銷工程師阿方索·洛佩茲（Alfonso Lopez）表示，“我們在這里談論的系統對于高性能聚合物來說真的非常出色，因為它們很難處理。我認為用這種特殊方法制造的膠帶的質量真的很合適，符合航空航天所需的質量。”
關于非粉末/漿料浸漬，ter Steeg 表示，“當然，我們也在研究熔融浸漬作為粉末的替代品，但目前我們還沒有該技術的內部能力。但我們正在密切關注這一問題。”
浸漬后，膠帶通過干燥器，然后進入高溫烘箱，該烘箱做三件事：熔化聚合物以確保均勻的聚合物浸漬；有助于最大限度地減少空隙；并促進基質的適當結晶度。ter Steeg 說：“使用烤箱，我們確保熔融聚合物完全浸入膠帶中，當然，我們也會以盡可能少的空隙量處理膠帶。”
在烘箱后，膠帶被修剪成一定長度——收集邊角料并作為短纖維回收用于注塑——然后進行基于激光的寬度、厚度和面積重量測量。“寬度和厚度是相關 的，所以我們基本上可以預先確定纖維的面積重量，” ter Steeg 說。“然后，我們在實驗室進行測量，以確保我們有準確的纖維面積重量和準確的樹脂含量。”
然后將膠帶纏繞在生產線末端的線軸上。“這是一卷 24 英寸寬的膠帶，”ter Steeg 指著繩子末端的一卷膠帶說。“我們每平方米有 115 克 PPS 膠帶。目前，這條膠帶有近 900 米長，沒有任何缺陷。”他補充說，這條生產線可以生產 2.5 公里長的膠帶，沒有缺陷或中斷。
生產線的速度無法透露，但ter Steeg確實聲稱，它可以以比 Teijin 的競爭對手更高的速度生產熱塑性膠帶。“漿料中揮發物的蒸發是速度的唯一限制，”他指出。該生產線的總產能因生產材料的面積重量而 異，但 ter Steeg 報告稱，該系統在最大吞吐量和最大面積重量下，每年可生產 320 公噸。
在膠帶生產線附近的控制室中，帝人技術人員持續監控所有制造參數，最終提供材料可追溯性所需的所有生產數據。“正如你所知，這對航空航天來說當然至關重要，”ter Steeg 說，“以確保一切都是可追蹤的。所以這就是為什么我們對所有基本數據進行持續監控的原因。”
就整體產品質量而言，Lopez 說 PEEK 是衡量所有其他膠帶的標準。他指出，PEEK 結晶度是加工頻率最高的三種樹脂中最一致的。他說：“PEEK 是基準，因為結晶率非常高，無論冷卻速度如何，它都能以一致的結晶度進行焊接和成型。”。“PEKK 和低熔體 PAEK不一定是這樣，在冷卻時必須更加小心。然而，通過我們的生產線，我們可以控制熱歷史，這樣我們就可以從生產線中獲得零冷結晶的材料。”
ter Steeg 說，最重要的是，新生產線提供了前所未有的過程控制選項，可以生產出高度一致的膠帶質量。“這種質量的長度、寬度和速度在復合材料行業是獨一無二的，”他說。“我們離熱固性膠帶的質量越來越近了。”
A&P Technology BIMAX 編織材料由帝京 UD 熱塑性膠帶制成
資格、申請和未來
隨著航空航天業從新冠肺炎中復蘇，以及波音和空客考慮新的飛機項目，這些項目肯定會擴大熱塑性復合材料的使用，帝京正在關注市場，尋找需求量最大的纖維/樹脂混合物的信號。Teijin Carbon America的航空航天營銷Jean-Philippe Canart表示，Teijin的PPS膠帶“在快速進入項目方面取得了良好的成功，因此PPS 為我們打開了一些其他應用的大門，比如航空航天中的二次結構或內部結構。然后你就有了制造管道的膠帶纏繞等工業應用。”。Canart 還指出，碳纖維/PEEK 對于需要使用可加工復合材料塊的應用具有吸引力。
Canart 表示，基于帝京對市場發展的看法，PEKK的未來有些疑問。他說：“我們看到 PEKK 在 PEEK 和低熔點 PAEK 之間有點被擠壓。”“如果你想要一種真正的低熔點材料，低熔點 PAEK 往往比普通的 PEKK 更有好處。如果你想要高性能，我們仍然推出PEEK。”
德國海因斯堡，帝京碳素歐洲工廠外觀
Teijin已將這種新型寬膠帶提供給 A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提），該公司將其編織成中間格式，供熱塑性復合材料制造商 ATC Manufacturing（美國愛達荷州 Post Falls）使用和評估，Teijin 的 Lopez 在美國復合材料制造商協會（ACMA，弗吉尼亞州阿靈頓，美國）2022 年移動會議上介紹了用于制造沖壓成型前緣肋的織物和編織增強材料。帝京還參與了另一個編織 0.125 英寸碳纖維/熱塑性塑料管的項目，長度可達1.2公里。
在工業方面，ter Steeg 表示 PPS 非常有吸引力。他說：“我們在市場上看到的是，人們對一種耐化學品性高、吸濕性低的聚合物的需求，所以對于水泵等產品，我們也看到了非常高的需求。”。“人們在這里尋找高質量材料的最低總成本。”
Canart 表示，在快速增長的氫氣市場中，Teijin 正在評估熱固性和熱塑性復合材料在低溫儲氫壓力容器中的應用。“當然，這會帶來額外的復雜性，”他說。
Canart 說，帝京正在密切關注的最終市場是 AAM，它可能需要大部分熱塑性復合材料供應鏈。“AAM想要什么，需要什么？”Canart 問道。“它會是一種標準的高性能聚合物，還是還有其他聚合物的空間？”
圖示翼肋由 ATC 制造公司使用由 A&P Technology編織的帝京 UD 熱塑性膠帶沖壓成型。帝京已經對該材料進行了初步的定性評估，以驗證其在高性能應用中的能力。
這個問題的答案將指導特金在海因斯貝格的下一步行動。第三條線是可能的，ter Steeg 說，假設有需求。更寬的磁帶呢？ter Steeg 說，帝京目前生產的 24 英寸寬的膠帶之所以有吸引力，有很多原因。它滿足了許多應用程序的需求，而且處理起來相對容易。他認為， 36英寸的寬度會帶來固結、收縮和處理方面的挑戰。此外，他指出，可以通過焊接兩條較窄的膠帶來制作更寬的膠帶。也就是說，“一切都在畫面中，”他指出。“我們對許多可能性持開放態度。”
