Термопластиковые композиты имеют некоторые существенные преимущества по сравнению с традиционными и могут стать более популярными в будущем. До сих пор массовое использование ТПКМ сдерживается высокими ценами на материалы, отсутствием эффективных производственных процессов и сложностями их внедрения на существующих производствах.
Российская компания ООО «Термопластиковые композитные технологии» поставила себе задачу это изменить.
Цели проекта:
Разработка технологии и оборудования для производства термопластичного препрега мощностью 100-150 тонн в год;
Разработка различных технологий и оборудования для изготовления изделий из препрега (Штамповка, Намотка, Пултрузия, АТМ)
На данный момент компанией разработан прототип установки для производства препрега.
Получены первые образцы материала на основе углеволокна, с матрицей из полипропилена и полиамида (на очереди ПЭЭК), произведены испытания, подтверждающие работоспособность разработанного метода.
Начата тестовая поставка термопластичного препрега в виде лент, листов, несколько компаний проявили заинтересованность в поставке оборудования для изготовления препрега и изготовления конечных изделий из него.
В сентябре 2019 ООО «ТКТ» заняла 3 место на конкурсе лучших проектов в композитной отрасли, организованным журналом «Композитный мир» в Санкт-Петербурге, а в октябре 2019 компания победитела в номинации «R&D разработки в области композитов» на международном форуме «Композиты без границ».
Итак, в чем же преимущества материала.
Композит — это различные материалы, объединенные вместе и создающие новый материал с новыми физическими свойствами. Примером этого является матричный полимер, армированный угле-,стекло-,кевларовым волокном.
Термореактивные полимеры при первом нагревании размягчаются, компоненты вступают в химическую реакцию и упрочняются, возникает связь между молекулярными цепочками. Это изменение необратимо, при повторном нагревании они горят.
В основном, в качестве полимерной матрицы используются термореактивные материалы, наиболее популярна эпоксидная смола, ввиду небольшой стоимости и высокой пропитывающей способности. Однако у них есть недостатки такие как: хрупкость, сложность утилизации брака и отходов переработки, сложный и долгий техпроцесс, ограниченное время и температура хранения препрега, многокомпонентность связующих и их ограниченная жизнеспособность.
Эти проблемы решаются при использовании в качестве связующих термопластичных материалов — PA,PP,PPS,PEEK и пр.
Термопластичные полимеры становятся мягкими и имеют текучесть при нагревании, а при охлаждении опять становятся жесткими. Этот процесс обратим и может быть повторен много раз. Между молекулярными цепочками нет химических связей.
Основные преимущества ТПКМ это устойчивость к ударным нагрузкам, короткие и автоматизированные техпроцессы, препрег без срока годности и хранится при комнатной температуре, ремонтопригодность, возможность вторичной переработки, ниже конечная себестоимость при массовом производстве.
Однако ТПКМ имеют следующие особенности, которые необходимо учитывать при их использовании:
— высокая температура переработки (200-420°C);
— трудность работы с препрегом, у которого нет липкости;
— ТП связующие по сравнению с термореактивными имеют на 1-2 порядка большую вязкость расплава; это приводит к тому, что наполнитель не смачивается расплавами полимеров.
Основные технологии изготовления ТП препрега: Пропиточная в расплаве, Пропиточная в растворе, Порошковая, Пленочная, Волоконная. У каждой из технологий есть свои недостатки – неприменимость для конкретного термопластика, качество и стабильность характеристик материала, повышенные энерго и трудозатраты и пр.
В итоге сейчас нет доступного и универсального способа качественной пропитки высоковязкими полимерами. Так же важно и наличие доступных технологий и оборудования для производства деталей из этих материалов.
Существует всего около 10 компаний, производящих термопластиковые композитные материалы (США, Нидерланды, Франция, Япония, Англия и пр.). Российские компании не представлены на мировом рынке термопластиковых композитов.
Поэтому материал при всех его преимуществах до сих пор не получил широкого применения и занимает не более 10% от объема термореактивных композитов в мире, а в России гораздо ниже.
Компанией ООО «ТКТ» разработана и запатентована новая технология изготовления термопластикового препрега (предварительно пропитанные термопластами PA,PP,PPS,PEEK и пр. ленты, листы или тканные материалы, на основе угле-, стекло-, кевларового волокна).
Установка для производства препрега представляет из себя производственную линию, где волокна с бобин под натяжением расправляются до определенной ширины, активируются, а затем проходят через специальную фильеру, в которой расплавленный и подающийся под давлением из экструдера пластик равномерно пропитывает пучок волокна, далее препрег охлаждается, проходит контроль размеров и наматывается на бобину.
Наша пропиточная фильера создана с использованием инновационного подхода, не применявшегося ранее в производстве ТП препрега, но известным в других областях техники. В основе лежит принцип использования ультразвукового воздействия для снижения вязкости полимера и повышения адгезионных свойств, и соответственно улучшения качества пропитки без усложнения и удорожания оборудования.
Стоимость производственной линии в 2-3 раза ниже импортных аналогов. Стоимость компонентов препрега минимальна так как используются представленные на рынке материалы без дополнительной обработки.
Основная задача оборудования для изготовления препрега — это равномерно пропитать армирующие волокна высоковязким полимером, для этого обычно используются различные способы: измельчение пластика до порошка, растворение в растворителях, преобразование его в волокна или в пленку. Это требует дополнительных затрат и усложняет процесс производства.
Благодаря нашей разработке, процесс изготовления препрега проходит в один этап с высоким качеством пропитки и низкой стоимостью компонентов.
Преимущество данной технологии изготовления препрега позволит установить конкурентную цену на термопластичные композитные материалы при высоком качестве продукции, вплоть до 25$ за кг. препрега на основе углеволокна.
Параллельно, ведутся разработки оборудования для изготовления из препрега готовых изделий. Основные технологии переработки препрега — Горячая штамповка, Намотка, Пултрузия, Автоматическая укладка.
Основные потребители ТПКМ:
- Автомобильный рынок: конструкции сидений, дверные держатели, кузовные панели, внутренняя отделка;
- Рынок спорта и отдыха: лыжные шлемы, части велосипеда, лыжи, сноуборды, велосипедные сиденья, дроны;
- Авиационно-космическая область: напольные панели, фюзеляжи, опоры двигателя, компоненты кабины;
- Рынок здравоохранения и электроники: обувные вставки, протезы, ортезы, задние крышки для мобильных устройств;
- Рынок 3D печати: филамент, армированный непрерывным и рубленными волокнами.
Композитный материал на основе термопластика не сможет заменить термореактивные композиты и металлы во всех областях применения, но в некоторых даст большие преимущества. Возможность быстрого и экономичного массового производства позволит использовать композиты там, где ранее их использование было не рентабельным, например автопром.
Для российской композитной отрасли это даст кратное увеличение использования углеволокна и стекловолокна в деталях и конструкциях. К тому же, одновременно решается проблема переработки композитных материалов, изделия из ТПКМ, вышедшие из строя, очень легко перерабатываются, иногда совсем с небольшим изменением механических свойств.
Пока мы небольшая команда разработчиков, поставивших себе весьма амбициозную задачу, но живой интерес крупных компаний, их помощь в разработках, поддержка государственных фондов подсказывают нам, что мы двигаемся в правильном направлении. Мы открыты для сотрудничества как в вопросах поставки оборудования и материалов, так и совместных работах и исследованиях.
Руководитель ООО «ТКТ»
Губанов Дмитрий Борисович
info@tpcomposites.ru