帝人(Teijin)的碳纤维、热塑单向带——帝人在德国的热塑单向带工厂
帝人在德国的热塑单向带工厂
帝人（Teijin）正在德国 Heinsberg 获 得其第二条热塑性胶带生产线的资格，这将大大扩大该公司在该材料领 域的影响力。
帝人（Teijin）在德国 Heinsberg 的新型热塑性预浸 料生产线的标志是能够生产宽达 24 英寸的超宽胶带。该生产线还为热塑性单向（UD）胶带生产提供 了前所未有的工艺和质量控制。
预计热塑性复合材料将在各种下一代飞机的主要 结构制造中发挥更大的关键作用，从大型商用喷气式客 机到小型电动垂直起降（eVTOL-electric vertical takeoff and landing） 飞机，这些飞机将成为新兴的先进空中机动 （AAM- advanced air mobility ） 市场的核心。满足这一需求将需要开发和制造满足日益严格的质量要求的热塑性胶带——单 向（UD） 和多轴织物。
正是考虑到这些挑战， 帝人（Teijin Carbon Europe GmbH-德国伍珀塔尔） 最近在其德国 Heinsberg 工厂安 装并调试了第二条热塑性胶带生产线。第一条生产线于 2011 年投入使用，符合波音公司的应用条件， 旨在提供 数量和宽度足以用于研发和低批量生产的热塑性胶带。
第二条生产线于 2019 年投入使用，使用了与第 一 条生产线相同的制造技术，但其规模、速度和一致性代 表着制造能力的全面显著提高。 帝人（Teijin ） 的开发 总经理威廉 ·扬 ·特 斯特格（Willem Jan ter Steeg）通过 视频向我们（CW）介绍了公司新的碳纤维热塑性胶带生 产线，并向我们介绍该系统及其功能。
宽、快、长、可重复
当他开始参观这条生产线时，特 斯特格指出，新生 产线提供的工艺控制为帝人（Teijin）提供了前所未有的 快速、 一致地生产热塑性胶带的能力，这些胶带符合宽 度、厚度、面重、树脂分布、 纤维体积分数（FVF- fiber volume fraction）、结晶度和孔隙率等严格的质量标准。
首先， 最值得注意的是，这条新生产线可以生产宽 度为 12 或 24 英寸的胶带， 这在热塑性复合材料供应链 中并不常见。第二，特 斯特格指出，新生产线提供了很大的灵活性， 包括多达 220 个筒子架位置， 以及调节湿 度、温度、铺展参数、张紧和基质含量的能力。特 斯特 格说：“我们有可能将基质含量控制在 34%到大约 40% 或 42%之间。” 。“ 理论上我们可以达到 50%，但没有 要求。”该生产线通常生产纤维面积重量（FAW-fiber areal weights）为 97-200 gsm 的胶带；一汽的 200 多 gsm 已经被 证明。
这张来自帝人新生产线的热塑性胶带的显微 照片展示了制造过程的一致性和均匀性。在 过去的十年里，热塑性预浸胶带的质量一直 在稳步提高。
UD 碳纤维是新生产线上加工的主要增强材料， 但 也可以使用芳族聚酰胺等其他材料。碳纤维直接来自帝 人（Teijin），帝人（Teijin） 是世界上最大的碳纤维制造 商之 一。
当纤维从筒子架中出来并张紧到生产线中时，它们 进入浸渍工作站。在这里，特 斯特格指出，浸渍工作站 将树脂基质分散为粉末，然后将其与乳化剂混合并应用 于纤维。与熔融浸渍相比，该公司更喜欢这种方法， 因 为它能提供更一致、更均匀的聚合物分散。
帝人（Teijin）主要在这条线上预浸聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS）， 低熔体聚芳醚酮（LMPAEK）和聚 醚酮酮（PEKK）。但聚醚酮酮（PEKK）加工频率较低。 特 斯特格指出，其他树脂基质系统也可以加工，但前提 是它们与浆料中的乳化剂相容。
帝人（Teijin）的航空航天营销工程师阿方索 ·洛佩 兹（Alfonso Lopez） 说：“ 我们在这里谈论的系统对于 更高性能的聚合物来说真的非常好，因为它们很难处理。 我认为用这种特殊方法制造的胶带的质量非常适合航 空航天所需的质量。 ”
关于非粉末/浆料浸渍， 特 斯特格表示， “ 当然， 我们也在研究熔融浸渍作为粉末的替代方案，但目前我 们还没有该技术的内部能力。但我们正在密切关注这 一 问题。 ”
浸渍后， 将胶带穿过干燥器， 然后进入高温烘箱， 该烘箱做三件事：熔化聚合物以确保均匀的聚合物浸渍； 有助于最大限度地减少空隙；并促进基质的适当结晶度。 “使用烘箱，我们确保熔融聚合物完全浸渍到胶带中，” 特 斯特格说，“ 当然，我们还可以以尽可能少的空隙量 处理胶带。 ”
在烘箱后，胶带被修剪成一定长度——收集边角料 并作为短纤维回收用于注塑——然后进行基于激光的宽度、厚度和面积重量测量。特 斯特格说：“ 宽度和厚 度是相关的，所以我们基本上可以预先确定纤维的面积 重量。 ” 。“ 然后， 我们在实验室进行测量， 以确保我 们有准确的纤维面积重量和准确的树脂含量。 ”
然后将胶带缠绕到生产线末端的线轴上。“这是 一 卷 24 英寸宽的胶带， ” 特 斯特格指着带子末端的 一 卷胶带说。“ 我们每平方米有 115 克 PPS 胶带。目前， 这条胶带将近 900 米长，没有任何缺陷。 ”他补充说， 这条生产线可以生产 2.5 公里长的胶带，没有缺陷或中 断。
生产线的速度无法透露，但特 斯特格确实声称，它 可以以比帝人（Teijin）的竞争对手更高的速度生产热塑 性胶带。他指出：“ 浆料中挥发物的蒸发是速度的唯 一 限制。”。该生产线的总产能因生产材料的面积重量而 异，但特 斯特格报告称，在最大吞吐量和最大面积重量 下，该系统每年可生产 320 公吨。
在胶带生产线附近的控制室中， 帝人（Teijin）技术 人员持续监控所有制造参数，最终提供材料完全可追溯 性所需的所有生产数据。“正如你所知，这对航空航天来 说当然至关重要，” 特 斯特格说，“ 以确保一切都是可 追踪的。所以这就是为什么我们对所有基本数据进行持 续监测的原因。 ”
就整体产品质量而言，洛佩兹说 PEEK 是衡量所有 其他胶带的标准。他指出，PEEK 结晶度是加工频率最 高的三种树脂中最一致的。他说： “PEEK 是基准， 因 为结晶率非常高， 无论冷却速度如何， 它都能以一致的 结晶度进行焊接和成型。 ” 。“PEKK 和低熔体 PAEK 不一定是这样，在冷却时必须更加小心。然而，通过我 们的生产线，我们可以控制热历史，这样我们就可以从 生产线中获得零冷结晶的材料。 ”
特 斯特格说，最重要的是，新生产线提供了前所未 有的过程控制选项， 可以生产出高度一致的磁带质量。 他说：“ 这种质量的长度、宽度和速度在复合材料行业 是独一无二的。” 。“ 我们离热固性胶带的质量越来越 近了。 ”
A&P Technology 的 BIMAX 编织增强特写， 该增强由帝人的 UD 热塑性胶带制成。
资格、申请和未来
随着航空航天业从新冠肺炎中复苏，以及波音和 空客考虑新的飞机项目，这些项目肯定会扩大热塑性 复合材料的使用，帝人正在关注市场，寻找需求量最 大的纤维/树脂混合物的信号。 帝人（Teijin） 的航空航 天营销让-菲利普 · 卡纳特（Jean-Philippe Canart） 表示， 帝京的PPS 胶带“在快速进入项目方面取得了良 好的成功， 因此 PPS 为我们打开了一些其他应用的大 门，如航空航天中的二次结构或内部结构。然后你就 有了工业应用，如缠绕胶带来制造管道。 ” 卡纳特还 指出，碳纤维/PEEK 对需要使用可加工复合材料块的 应用很有吸引力。
卡纳特表示，基于帝人（Teijin） 对市场发展的看 法，PEKK 的未来有些疑问。他说：“ 我们看到PEKK 在 PEEK 和低熔点 PAEK 之间有点被挤压。 ” 。“如果你想要一种真正的低熔点材料，低熔 点 PAEK 往往比普通的 PEKK 更有好处。如果你想要 高性能， 我们仍然推出 PEEK 。 ”
位于德国海因斯堡的帝人炭素欧洲工厂外观图。
帝人 （Teijin） 已将这种新型宽胶带提供给 A&P Technology（美国俄亥俄州辛辛那提），该公司将其编织 成 中 间 格 式 ， 供 热 塑 性 复 合 材 料 制 造 商 ATC Manufacturing（美国爱达荷州 Post Falls）使用和评估。 Teijin’S Lopez 在美国复合材料制造商协会（ACMA ， 弗吉尼亚州阿灵顿， 美国）2022 年移动会议上介绍了用 于制造冲压成型前缘肋的 UD、织物和编织增强材料的 初步定性比较。帝人（Teijin）还参与了另一个编织 0.125 英寸碳纤维/热塑性塑料管的项目， 长度可达 1.2 公里。
在工业方面，特 斯特格说 PPS 被证明极具吸引力。 他说：“我们在市场上看到的是，对一种耐化学品性高、 吸湿性低的聚合物的需求，所以对于泵等产品，我们也 看到了非常高的需求。” 。“ 人们在这里寻找高质量材 料的最低总成本。 ”
卡纳特表示， 在快速增长的氢气市场中， 帝人 （Teijin）正在评估热固性和热塑性复合材料在低温储氢 压力容器中的应用。“ 当然，这带来了额外的复杂性，” 他说。
卡纳特说，帝人（Teijin）） 正在密切关注的最终 市场是 AAM， 它可能需要大部分热塑性复合材料供应 链。“AAM 想要什么，需要什么？ ” 卡纳特问道。“ 它 会是一种标准的高性能聚合物吗？还是还有其他聚合 物的空间？ ”
该航空肋骨由 ATC 制造公司使用由 A&PTechnology 编织的帝人 UD 热塑性胶带冲压成 型。帝人已经对该材料进行了初步的定性评估， 以验证其在高性能应用中的能力。
这个问题的答案将指导帝人（Teijin） 在 Heinsberg的下一步行动。特 斯特格说，假设有需求，第三条线是可能的。更宽的磁带呢？ 特 斯特格说，帝人（Teijin）目前生产的 24 英寸宽胶带之所以有吸引力， 有很多原因。它满足了许多应用程序的需求，而且相对容易处理。他认为， 采用 36 英寸的宽度会带来固结、收缩和处理方面的挑战。此外，他指出，通过焊接两条较窄的胶带，可以制作出更宽的胶带。也就是说，“一切都在画面中，” 他指出。“ 我们对许多可能性持开放态度。 ”
结 束 语
帝人（Teijin） 是一家制造碳纤维的跨国公司。 他制造的碳纤维， 备有多种浆料以适应其他公司 的基材树脂。 空客 A220 复材机翼使用他的碳纤 维 、 用索尔维（Solvay） 基材;俄罗斯 MC-21 复材机翼使用他的碳纤维 、 用索尔维的（Solvay） 另一种基材。
帝人（Teijin） 生产的碳纤维无卷曲织物（NCF-Noncrimp fabric）宽度 1270-2540mm。目前空客“新 A320 ” 机翼演示件，均使用他的 NCF，如上下壁板、前后梁、 襟翼、 扰流板等。
规划月产 70-100 架空客“ 新 A320 ”一但投产， 这得需要多少 NCF 啊！
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原文见， 1. 《 Plant tour: Teijin Carbon America Inc, Greenwood, S.C., U.S.》2024.5.27
2. 《 Inside Teijin’s thermoplastic tape expansion 》 2022.12.26
杨超凡 2024.5.28
帝人(Teijin)的碳纤维、热塑单向带——在美国的碳纤维工厂-1
