帝人正在德國海因斯貝格再建第二條熱塑性復材帶生產線，這將大大擴大公司在這一材料領域的業務。

帝人(Teijin)在德國海因斯貝格（Heinsberg）的新熱塑性預浸料生產線的特點是能夠生產非常寬的膠帶，寬度可達 24 英寸 (609.6 cm)。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。圖片來源：Teijin Carbon Europe

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，從大型商用噴氣客機到小型電動垂直起降（eVTOL- electric vertical takeoff and landing）飛機，這些飛機將成為新興先進空中機動（AAM- advanced air mobility ）市場的核心。滿足這一需求需要開發和制造符合日益嚴格的質量要求的單向帶（UD-unidirectional）和多軸（multiaxial）熱塑性復材帶。

正是考慮到這些挑戰，Teijin Carbon Europe GmbH（德國伍珀塔爾）最近在其德國海因斯堡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要求，旨在提供足夠數量和寬度的熱塑性膠帶，用于研發和小批量生產。

第二條生產線于 2019 年投產，使用與第一條生產線相同的制造技術，但規模、速度和一致性意味著制造能力的全面提升。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

在開始他的生產線之旅時，ter Steeg 注意到，新生產線提供的工藝控制為帝人（Teijin）提供了前所未有的能力，能夠快速、一致地生產符合寬度、厚度、面積重量、樹脂分布、纖維體積分數（FVF- fiber volume fraction）、結晶度和孔隙率等嚴格質量標準的熱塑性膠帶。

首先，最值得注意的是，新生產線可以生產寬度為12(30.48cm) 或 24(609.6cm)英寸的復材帶，這在熱塑性復合材料供應鏈中并不常見。第二，ter Steeg 指出，新生產線提供了極大的靈活性，包括多達 220 個筒子架位置，以及調節濕度、溫度、攤鋪參數、張力和基材含量的能力。“我們有可能達到 34%至約40%或 42%的基材含量，”ter Steeg 說。“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重量（FAW- fiberareal weights）為 97-200 gsm 的復材帶；已展示過超過 200 gsm 的纖維面重量（FAW- fiber areal weights）

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 Teijin，Teijin 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進入生產線時，它們進入浸漬單元。在這里，ter Steeg 注意到浸漬單元將樹脂基材分散為粉末，然后與乳化劑混合并施加到纖維上。與熔融浸漬相比，該公司更青睞這種方法，因為它提供了更一致、更均勻的分散聚合物。Teijin 主要在該生產線上預浸聚醚醚酮（PEEK）和聚苯硫醚（PPS），低熔點聚醚醚醚酮和聚醚酮（PEKK）加工頻率較低。terSteeg 指出，其他樹脂基材體系也可以加工，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 Alfonso Lopez 表示，“我們這里討論的系統對于高性能聚合物來說真的非常優秀，因為它們很難處理。我認為用這種特殊方法制造的復材帶的質量非常適合，符合航空航天要求的質量。”

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，但目前我們沒有這種技術的內部能力。但我們正在密切關注這一點。”

浸漬后，膠帶通過干燥器，然后進入高溫烘箱，該烘箱完成三件事：熔化聚合物，以確保均勻的聚合物浸漬；有助于減少空隙；并促進基質的適當結晶。“使用烤箱，我們可以確保熔融聚合物完全浸入膠帶中，”ter Steeg 說，“當然，我們也可以以盡可能少的空隙量處理膠帶。”

烘干后，將復材帶修剪成一定長度-收集邊角料并作為短纖維回收用于注塑成型-然后進行激光寬度、厚度和面積重量測量。“寬度和厚度之間存在相關性，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。“這是一個 24 英寸寬的卷，”ter Steeg 指著線末端的一卷膠帶說道。“我們每平方米有115 克 PPS 膠帶。目前，這條膠帶長近 900 米，沒有任何缺陷。”他補充道，該生產線可以生產 2.5 公里長的膠帶，沒有缺陷或中斷。

無法透露生產線的速度，但ter Steeg 確實聲稱，它可以以比Teijin 的競爭對手更快的速度生產熱塑性復材帶。“基材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所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。

在靠近復材帶生產線的控制室內，Teijin 技術人員持續監控所有制造參數，最終提供完整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是至關重要的，”特爾·斯蒂格說，“以確保一切都是可追蹤的。所以這就是為什么我們要持續監控所有重要數據的原因。”

就整體產品質量而言，PEEK 是衡量所有其他復材帶的標準。PEEK 結晶度是三種加工最頻繁的樹脂中最一致的。PEEK 是基準，因為其結晶率非常高，無論冷卻速度如何，它都能以一致的結晶度進行焊接和成形。PEKK 和低熔點 PAEK 不一定是這樣，在那里，你必須更加小心如何冷卻它。然而，有了我們這里的生產線，我們可以控制熱歷史，因此我們可以將零冷結晶的材料從這條生產線中分離出來。

ter Steeg表示，最重要的一點是，新生產線提供了前所未有的過程控制選項，能夠生產出高度一致的復材帶質量。“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。“我們越來越接近熱固性復材帶的質量。”

資格、申請和未來

隨著航空航天業從新冠肺炎疫情中復蘇，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，Teijin 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 的航空航天市場營銷人員 Canart 表示，Teijin的 PPS 復材帶“在快速進入項目方面取得了很好的成功，因此 PPS為我們打開了通向其他應用的大門，比如航空航天中的二級結構或內部結構。然后，我們就有了工業應用，比如纏繞膠帶來制造管道和管材。”。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很有吸引力。

Canart 表示，PEKK 的未來有點可疑，這取決于 Teijin 對市場發展的看法。“我們看到 PEKK 在 PEEK 和低熔點 PAEK 之間有點擠，”他說。“如果你想要一種真正的低熔點材料，低熔點PAEK 往往比普通 PEKK 更具優勢。如果你想要高性能，我們仍然會推出 PEEK。”

Teijin 向 A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提）提供了這種新型寬復材帶，后者將其編織成中間格式，供熱塑性復合材料制造商 ATC Manufacturing（美國愛達荷州波斯特福爾斯）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 年機動性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。Teijin 還參與了另一個項目，編織 0.125 英寸碳纖維/熱塑性塑料管，長度可達 1.2 公里。

在工業方面，ter Steeg 表示聚苯硫醚（PPS）被證明是非常有吸引力的。他說：“我們在市場上看到的是，對一種具有高耐化學性和低吸濕性的聚合物的需求，因此對于泵等產品，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，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，這帶來了額外的復雜性，”他說。

Canart表示，Teijin 正在密切關注的終端市場是先進空中機動（AAM-- advanced air mobility），該公司可能需要大量的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，還是可能還有其他聚合物的空間？”

Teijin對材料進行了初步定性評估，以驗證其在高性能應用中的能力。

這個問題的答案將指導 Teijin 在 Heinsberg 的下一步行動。terSteeg 說，假設需求在那里，第三條線是可能的。更寬的磁帶呢？Teijin 目前生產的 24 英寸寬的復材帶之所以吸引人，有很多原因。它滿足了許多應用程序的需求，并且相對容易處理。他認為，36英寸的寬度會帶來固結、收縮和搬運方面的挑戰。此外，他指出，通過焊接兩條較窄的膠帶，可以制造出更寬的膠帶。他說，“一切都在發展的藍圖中”。