Ohnivzdorné a speciální skleněné vlákno impregnované pryskyřicí | Weihai Dushi

Základní klasifikace: přesné dělení na základě výkonové orientace a aplikačních scénářů

Systém kategorizace předimpregnovaných skleněných vláken je bohatý a rozmanitý a může být rozdělen do čtyř hlavních kategorií na základě typu pryskyřice, uspořádání vláken, funkčních charakteristik a typu skleněných vláken. Každý typ produktu je zaměřen na odlišné aplikační scénáře, přičemž je přísně kontrolováno opakování na úrovni pod 50 %, čímž je dosaženo přesného přizpůsobení potřebám různých odvětví.

1. Dělení funkčních hranic podle typu pryskyřice: termosety a termoplasty

Přísadový systém pryskyřice je klíčovým prvkem, který určuje vlastnosti lisování a aplikační obor skelného prepregu, který lze rozdělit do dvou základních kategorií. Tyto dvě mají výrazné rozdíly v mechanismu tvrzení a zaměření výkonu:

• Termosetový skelný prepreg: Na bázi epoxidové pryskyřice, fenolformaldehydové pryskyřice, polyesterové pryskyřice atd., vyžaduje nevratné křížové vazby a vytvrzení pomocí tepla a tlaku. V současnosti jde o dominantní kategorii na trhu, která zaujímala ke roku 2024 více než 82 %. Mezi nimi jsou výrobky na bázi epoxidové pryskyřice široce využívány v konstrukčních dílech leteckého a kosmického průmyslu, skříních vysoce kvalitní elektroniky a dalších oblastech díky vyváženým mechanickým vlastnostem (pevnost v tahu může dosáhnout více než 320 MPa) a vynikající adhezi; výrobky na bázi fenolformaldehydové pryskyřice mají za hlavní výhodu vynikající nehořlavost, při hoření produkují nízkou hustotu kouře a nízkou toxicitu, což je činí preferovanou volbou pro vnitřní úpravy interiéru kolejových vozidel a požárně odolných komponent lodí; výrobky na bázi polyesteru/vinylesteru mají nižší náklady a jsou vhodné pro obecné aplikace citlivé na cenu, jako jsou paluby lodí a průmyslové nádrže. Hlavními charakteristikami tohoto typu sklolaminátové preformy jsou stabilní struktura a vysoká rozměrová přesnost po vytvrzení, ale doba formování je poměrně dlouhá (obvykle 30–90 minut) a obtížně recyklovatelné.
• Termoplastická skleněná vlákna prepreg: Vyrobené z tavitelných pryskyřic, jako je polyetheretherketon (PEEK), polypropylen (PP) a polyamid (PA), má reverzibilní vlastnosti „zahřívání změkčování chlazení tuhnutí“ a v posledních letech rychle roste, s tržním podílem 18 % do roku 2024. Jeho vynikající výhodou je vysoká účinnost lisování, která zkracuje dobu cyklu o více než 60 % ve srovnání s termosyntetickými výrobky. Čas jednoho dávkového lisování lze udržet v rozmezí 10–20 minut a materiál lze recyklovat a znovu použít, čímž splňuje potřeby velkosériové výroby dílů karoserií nových elektrických vozidel, skořepin domácích spotřebičů a dalších výrobků. Například dveřní panely automobilů vyrobené z PP na bázi skleněných vláken mají hmotnost o 40 % nižší ve srovnání s tradičními kovovými komponenty a po nárazu lze některá poškození opravit zahřátím, čímž se prodlužuje jejich životnost.

2. Uspořádání vláken: Unidirekční a pletený mechanický výkon – diferencovaný návrh

Uspořádání skleněných vláken přímo určuje směrovost mechanických vlastností předforem ze skleněných vláken, čímž vznikají dvě základní kategorie pro různé zatěžovací scénáře:

• Unidirekční prepreg ze skleněných vláken: Skleněná vlákna jsou uspořádána rovnoběžně ve směru jediné osy, s konzistencí orientace vyšší než 99,5 %, čímž je dosaženo maximálních mechanických vlastností materiálu ve směru vláken. Tenzilní modul může dosáhnout více než 28 GPa, zatímco vlastnosti v příčném směru jsou relativně slabé. Tento typ produktu se používá hlavně pro konstrukční díly vystavené jednoosým zatížením, například zesilující žebra křídel letadel, nosné nosníky lopatek větrných turbín, vrstvy zesílení mostů atd. Prostřednictvím vícevrstvého návrhu s více směry lze splnit požadavky na složité namáhání. Povrchová hustota pokrývá rozsah od 80 g/m² do 450 g/m² a může být přesně zvolena podle velikosti zatížení. Například nosník lopatky větrné turbíny 10 MW využívá 300 g/m² jednosměrné skleněné vlákno prereg, což umožňuje snížit hmotnost o 25 % a zároveň zvýšit tuhost o 30 %.
• Tkanina ze skleněného vlákna prereg: Skleněná vlákna jsou prostředována a tvořena v ploché, diagonální, saténové a jiných vazbách s více směrovým vyváženým rozložením mechanických vlastností a lepší tvarovatelností a odolností proti nárazu. Výrobky s plochou vazbou mají hustou strukturu, silnou odolnost proti opotřebení a jsou vhodné pro protikorozní povlaky potrubí a ochranné skříně elektronických zařízení; Výrobky s lícovou vazbou mají vynikající pružnost a přizpůsobí se složitým zakřiveným plochám, používají se na trupy lodí a karoserie vozidel; Saténové tkaniny se vyznačují vysokou pevností při nárazu, s pevností v tahu až 280 MPa, vhodné pro interiérové díly letadel a vysoce kvalitní sportovní vybavení. Výrobky s různými způsoby tkaní lze kombinovat s různými specifikacemi svazků vláken od 1K do 24K, čímž vzniká široká škála možností od jemných textur po hrubé struktury.

3. Přizpůsobené odvozené kategorie pro speciální scénáře na základě funkčních vlastností

Pro extrémní prostředí nebo speciální potřeby vyvinula společnost Glass fiber prepreg více funkčních podkategorií, které se staly klíčem k rozšiřování aplikačních hranic:

• Skelný prepreg odolný vysokým teplotám: s použitím modifikované epoxidové pryskyřice nebo polyimidové pryskyřice lze dosáhnout dlouhodobé provozní teploty 150–350 °C, přičemž zachování mechanických vlastností za vysokých teplot přesahuje 85 %. Například produkty řady BMS 8-139 od společnosti Hexcel využívají pryskyřicový systém HexPy® F161 s teplotou tvrzení 350 °F, což je vhodné pro vysokoteplotní aplikace, jako jsou periferní komponenty leteckých motorů a konstrukční části průmyslových pecí.
• Flame retardant Glass fiber prereg: Přidáním bezhalogenového zpomalovače hoření na bázi fosforu a dusíku lze dosáhnout úrovně odolnosti proti hoření UL94 V0. Některé výrobky mají certifikaci pro letecký průmysl, například produkt Solvay TY6 CL1 GR A, který používá polyesterovou pryskyřici Cycom ® 4102 určenou speciálně pro aplikace s extrémně vysokými požadavky na požární bezpečnost, jako jsou interiéry letadel a vagóny kolejových vozidel.
• Sklolaminát s odolností proti povětrnostním vlivům: pryskyřice je obohacena o přísady proti UV záření a stárnutí, díky čemuž může mít životnost více než 15 let v podmínkách venkovního provozu a vlhkého prostředí, hustota kouře (SDR) je nižší než 20. Je vhodný pro venkovní reklamní panely, ochranné desky mostů, zařízení pro mořskou větrnou energii a další aplikace.
• Sklolaminát s vysokofrekvenční izolací: optimalizuje dielektrické vlastnosti pryskyřice s dielektrickou konstantou ≤ 3,2 a ztrátovým činitelem dielektrika ≤ 0,005, čímž se stává klíčovým materiálem pro kryty antén 5G základnových stanic a radarové kryty. Například Air Preg PE CF 6550 používá sklovlákno S-2, které je speciálně vhodné pro aplikace v leteckých radarových krytech.

4. Odlišnost základních vlastností podle typu skleněného vlákna

Vlastnosti skleněného vlákna samotného poskytují různé výkonové základy pro skelné prepregy, které jsou hlavně rozděleny do tří kategorií:

• Prepreg na bázi E-skla: nejběžněji používaná základní kategorie, s vynikající elektrickou izolací a chemickou stabilitou, střední cenou, vhodná pro většinu běžných aplikací, jako jsou elektronická zařízení a průmyslové nádrže, představuje více než 75 % celkových prodejů skelných prepregů.
• Prepreg na bázi skleněného vlákna S-2: Vysoce pevný typ s pevností v tahu zvýšenou o více než 30 % ve srovnání se skleněným vláknem typu E a lepší odolností proti nárazům. Hlavně se používá v konstrukčních dílech letadel a kosmických zařízení, lopatkách vysokorychlostních větrných turbín a dalších aplikacích s přísnými požadavky na pevnost.
• Předimpregnované směsi na bázi skleněného vlákna typu C: S vynikající odolností proti korozi jako hlavním rysem odolává účinkům silných kyselin a zásad a je vhodné pro silně agresivní prostředí, jako jsou chemické potrubí a konstrukční prvky mořských plošin.

Klíčová výhoda: Šest základních charakteristik, které překreslují aplikační hodnotu materiálů

Důvod, proč se skleněná impregnovaná vlákna (glass fiber prepreg) vyznačují mezi mnoha kompozitními materiály a stávají se „nezbytným materiálem“ pro vysokopevnostní výrobu, spočívá v jejich komplexních výhodách v oblasti mechanických vlastností, přizpůsobitelnosti procesům, odolnosti vůči prostředí a dalších rozměrech. Tyto vlastnosti společně tvoří jejich nepostradatelnou tržní pozici.

1. Vyvážené mechanické vlastnosti a výhody lehké konstrukce

Skleněný prepreg dokonale kombinuje výhody vlastností skleněného vlákna a pryskyřice, čímž dosahuje rovnováhy „vysoké pevnosti a nízké hmotnosti“. Pevnost v tahu běžného prepregu na bázi E-skla může dosáhnout 280–350 MPa, což je 1,2–1,5násobek pevnosti běžné oceli, přičemž jeho hustota je pouze 1,8–2,0 g/cm³, méně než 1/4 hustoty oceli a 2/3 hustoty hliníkové slitiny. V oblasti kolejové dopravy díky použití skleněného prepregu na panely interiéru a rámy sedadel klesne hmotnost jednotlivého vozu o více než 250 kg, což u jednoho vlaku ročně ušetří přibližně 42 000 kWh elektrické energie; V leteckém průmyslu se u letounového radomu používá prepreg na bázi S-2 skla, čímž se hmotnost sníží o 55 % ve srovnání s tradičními kovovými kryty a propustnost signálu zlepší o 15 %. Navíc jeho ohybový modul dosahuje 25–30 GPa, po dlouhodobém používání se tedy snadno neohýbá a je vhodný pro různé nosné konstrukční aplikace.

2. Vynikající ekologická přizpůsobivost a odolnost

Skleněné vlákno prepreg má odolnost vůči prostředí daleko přesahující tradiční materiály, což ho činí spolehlivou volbou pro složité pracovní podmínky. Co se týče odolnosti vůči korozi, po ponoření C-skleněného vlákna založeného na prepregu do 5% roztoku kyseliny sírové po dobu 1000 hodin je rychlost degradace mechanických vlastností nižší než 5 %, což je mnohem lepší než 40% degradace u pozinkované ocelové desky, a je vhodné pro silně korozivní prostředí jako jsou námořní a chemický průmysl; co se týče odolnosti proti povětrnostním vlivům, produkty s přidanými složkami odolnými proti UV záření mají po 5 letech expozice venku míru retence barvy vyšší než 90 %, bez trhlin nebo prášení; co se týče únavové pevnosti, při dynamickém zatěžování (např. nerovnosti vozidel nebo rotace ventilátoru) dosahuje míra retence únavové pevnosti více než 88 %, což je o 10 procentních bodů více než průměr odvětví. Po použití skleněného vlákna prepreg pro lopatky větrných turbín se životnost může prodloužit na více než 20 let.

3. Vysoce flexibilní možnosti personalizace

Skelné vlákno prepreg umožňuje plnou výběrovou volbu rozměrových parametrů, přesně vyhovující individuálním potřebám různých odvětví. Smola může být upravena podle konkrétního použití, například tepelně odolná fenolová pryskyřice pro letecký průmysl nebo rychle tuhnoucí epoxidová pryskyřice pro automobilový průmysl; přesnost řízení obsahu pryskyřice dosahuje ± 0,5 %, čímž je zajištěna konzistence vlastností výrobku; šířka umožňuje individualizaci v rozmezí 0,5–2,0 m a u velkých lodních trupů lze použít výrobky o šířce 2,0 m, čímž se snižuje počet spojovacích švů o více než 50 %; funkční vlastnosti lze kombinovat a naskládat, například kompozitní funkce „zotavování hořlavosti + antistatické“ a „odolnost proti vysokým teplotám + odolnost proti korozi“. Například kompozitní funkce Skelné vlákno prereg používaná u dílů karoserie kolejových vozidel nejen splňuje požadavky UL94 V0 na zpomalovač hoření, ale také disponuje antistatickými vlastnostmi s povrchovým odporem ≤ 10 ΩΩ.

4. Vynikající přizpůsobení procesu a účinnost formování

Skleněné vlákno preformy je kompatibilní s běžnými procesy tváření kompozitních materiálů, jako jsou horké lisovací nádoby, lisování za tlaku, vakuumové pytle a vinutí, a je vhodná pro různé potřeby od jednotlivých výrobků na míru až po sériovou výrobu. Proces lisování za tlaku je vhodný pro standardizované díly (např. rámy sedadel automobilů), přičemž doba výroby jednoho dílu může být udržena v rozmezí 15–30 minut s chybou rozměrové přesnosti ≤± 0,2 mm. Lisování v horkých formách je vhodné pro kvalitní letecké a kosmické komponenty, přičemž podíl vnitřních vad výrobku je nižší než 0,3 % díky řízení tlaku v rozmezí 0,8–1,2 MPa a teploty v rozmezí 120–180 °C; spirálové tvarování je vhodné pro válcové komponenty, jako jsou potrubí a tlakové nádoby. Směrové uspořádání skleněných vláken umožňuje dosáhnout poměru osové a obvodové pevnosti výrobku až 3:1, čímž jsou splněny požadavky na přepravu pod vysokým tlakem. Kromě toho je jeho polotvrdý stav snadno řezatelný a pokládací, s odpadovostí pouze 4–6 %, což je mnohem nižší ve srovnání s 15–20 % u tradičních mokrých procesů tváření, čímž se výrazně snižuje odpad materiálu.

5. Výhody nákladového přínosu během celého životního cyklu

Ačkoli počáteční nákupní cena skleněného vlákna s předúpravou je vyšší než u tradičních materiálů, výhoda celoživotních nákladů je významná. V oblasti průmyslového zařízení může jeho odolnost proti korozi prodloužit servisní interval zařízení z 6 na 24 měsíců a snížit tak provozní náklady o 60 %; v oblasti nových energetických zdrojů může použití skleněného vlákna s předúpravou u lopatek větrných turbín zvýšit účinnost výroby elektřiny o 5–8 %, čímž jedna větrná turbína o výkonu 10 MW může ročně vyrobit o 1,2 milionu kWh elektrické energie více; v lodním stavitelství použití skleněného vlákna s předúpravou snižuje počet nátěrových procesů o 3 ve srovnání s ocelovými trupy, zkracuje dobu výstavby o 30 % a snižuje spotřebu paliva při plavbě o 15 %. Recyklovatelnost termoplastických výrobků dále snižuje náklady na suroviny, přičemž recyklované materiály dosahují retence výkonu nad 70 % a mohou být použity pro výrobu sekundárních konstrukčních dílů.

6. Aplikační charakteristiky bezpečnosti a ochrany životního prostředí

Skleněný prepreg má při výrobě i použití dobré environmentální vlastnosti. Ve fázi výroby se používá proces předimpregnace, kterým se zabrání znečištění těkavými organickými látkami (VOC) způsobenému odpařováním pryskyřice při mokrém formování, čímž se snižují emise škodlivin o více než 80 %; Během fáze používání neuvolňují samozhášivé produkty při hoření toxické plyny a splňují evropské environmentální normy, jako je EN45545; Ve fázi recyklace lze termoplastické výrobky recyklovat tavením a přetvářením, zatímco termosety lze rozdrtit a znovu použít jako plniva, což odpovídá trendu zelené výroby v rámci cíle „dvojí uhlík“. V oblasti elektronických zařízení může jeho vynikající elektrická izolace snížit elektromagnetické záření a zlepšit bezpečnost používání.

Prodejní argument procesu: Přesná kontrola a zvyšování hodnoty od surovin až po hotové výrobky.

Výkon skleněného předimpregnovaného materiálu spočívá v jeho přesném výrobním procesu a plném kontrole kvality ve všech fázích. Jeho procesní systém nejen zajišťuje konzistenci produktu, ale také dosahuje optimální rovnováhy mezi výkonem a náklady, čímž se stává klíčovou podporou konkurenceschopnosti produktu.

• 1. Základní výrobní proces: Dvojitá záruka metody horkého nanášení a metody řešení impregnace. Hlavní odvětví používá dva základní procesy impregnace, které lze flexibilně vybírat podle pozice produktu a požadavků na kvalitu, aby byla zajištěna stabilita vlastností skleněného předimpregnovaného materiálu
• 2. Proces horkého nanášení: Zahřejte pryskyřici na 80–120 ℃, abyste snížili její viskozitu, rovnoměrně naneste pryskyřici na povrch skleněného vlákna pomocí přesného horkoválečkového lisu a poté rychle ochlaďte na pokojovou teplotu prostřednictvím chladicího válce, čímž dokončíte polotvrdnutí a tvarování. Hlavní výhodou tohoto procesu je absence zbytků rozpouštědla, přesná kontrola obsahu pryskyřice až ± 0,5 % a vysoká konzistence uspořádání vláken, což jej činí obzvláště vhodným pro výrobu vysoce kvalitních sklolaminátových prepregů pro letecké a kosmické aplikace. Všechny řady produktů HexPy od společnosti Hexcel Corporation ® tento proces používají, přičemž tlak (0,8–1,2 MPa) a rychlost (5–10 m/min) horkoválečkového lisu jsou řízeny počítačem, čímž je zajištěno, že chyba rozložení pryskyřice na metr čtvereční výrobku je menší než 0,3 %.
• 3. Proces impregnace roztokem: Pryskyřice se rozpouští v organických rozpouštědlech, jako je aceton a ethanol, za vzniku nízko viskózního roztoku. Poté, co skleněná vlákna plně nasají pryskyřici v impregnační nádrži, se rozpouštědlo odpaří prostřednictvím vícestupňového sušicího kanálu s horkým vzduchem (teplotní gradient 50–120 °C), čímž vznikne polotvrdý stav. Toto technologické zařízení má nízké pořizovací náklady a vysokou výrobní efektivitu (rychlost linky až 15–20 m/min), což jej činí vhodným pro velkovýrobu univerzálních sklolaminátových předloh. Pro řešení problému zbytkového rozpouštědla průmysl široce využívá technologii odstraňování pomocí vakua, která snižuje obsah zbytkového rozpouštědla pod 0,1 % a tak předchází vzniku bublin a defektům vrstvení po vytvrzení výrobku.
• 4. Klíčové body řízení procesu: Pět základních procesů, které určují výkon, jako je stabilita kvality předformy ze skleněných vláken, vychází z důkladné kontroly celého výrobního procesu. Mezi nimi pět klíčových procesů přímo určuje konečný výkon produktu:
• 5. Úprava povrchu skleněných vláken: Povrchová aktivita vlákna je zvýšena oxidační úpravou a poté nanášením silanového vazebného činidla za účelem zvýšení mezifázové vazebné pevnosti mezi skleněným vláknem a pryskyřicí. Po úpravě se mezifázová tahová pevnost zvýšila o více než 40 %, čímž se efektivně vyřeší problém vrstvení, ke kterému jsou tradiční produkty náchylné. Po této úpravě lze nárazovou odolnost předimpregnu S-2 skleněných vláken zvýšit o 35 %.
• 6. Přesná modulace směsi pryskyřice: Podle funkčních požadavků výrobku jsou pryskyřice, tvrdidlo, přísady a další složky přesně dávkovány. Například výrobky se zpomalovačem hoření vyžadují přídavek 15 % – 20 % fosforo-dusíkatých retardérů hoření spolu s 0,5 % prostředků proti kapání; u výrobků odolných proti vysokým teplotám je nutné upravit molární poměr epoxidové pryskyřice k tvrdidlu na 1:1,05, aby byla zajištěna hustota síťování. Směs je připravována pomocí plně automatického míchacího systému, chyba je kontrolována v rámci ± 0,1 %.
• 7. Dynamická kontrola parametrů impregnace: Nastavení rychlosti, teploty a tlaku impregnace v reálném čase na základě specifikací svazků skleněných vláken a viskozity pryskyřice. Například rychlost impregnace produktů s 1K filamentovým svazkem je řízena na 8–10 m/min a tlak snížen na 0,6 MPa, aby se předešlo přetržení vlákna; u produktu s hrubým svazkem 12K lze rychlost zvýšit na 15 m/min a tlak na 1,0 MPa, aby se zajistilo dostatečné proniknutí pryskyřice.
• 8. Přesná kontrola B-stupně tvrzení: Úpravou teploty a doby sušení se stupeň tvrzení pryskyřice udržuje ve stavu částečného (polotvrdého) tvrzení 30–40 %, čímž se zajišťuje určitá lepivost produktu pro usnadnění vrstvení a zabrání se předčasnému úplnému zatvrdnutí. Stupeň tvrzení je sledován v reálném čase pomocí diferenciální skenovací kalorimetrie (DSC) s chybou menší než 2 %.
• 9. Přísná kontrola kvality hotových výrobků: Každá série výrobků musí projít několika testy, včetně obsahu pryskyřice (přesnost ± 0,1 %), plošné hustoty vláken (± 2 g/m²), pevnosti v tahu, zpomalovače hoření atd. Systém počítačového vidění slouží k detekci rovnoměrnosti uspořádání vláken s detekčním výkonem vad 99,9 %, čímž se zajišťuje, že nekvalitní výrobky se nedostanou na trh.
• 10. Trend inovace procesů: Tři hlavní směry podporující inovaci kategorií. Průmysl neustále zlepšuje výkon a cenovou náročnost sklolaminátových prepregrů prostřednictvím inovací procesů, přičemž tři hlavní inovační směry určují vývoj kategorie:
• 11. Inovace automatické výrobní linky: Zavedení průmyslových robotů a systémů řízení umělé inteligence umožňuje plnou automatizaci procesů od odvinování skleněných vláken, impregnace, tvrzení až po navíjení, čímž se zvyšuje výrobní efektivita o více než 50 % a snižují se chyby konzistence produktu na ± 0,3 %. Například automatická výrobní linka vedoucího podniku dosahuje denního výkonu 5000 metrů čtverečních na linku, což je třikrát více než u tradičních ručních výrobních linek.
• 12. Průlom v technologii víceosého vrstvení: Vyvinuta víceosá výrobní linka pro předimpregnovaná skleněná vlákna, která umožňuje současné provedení synchronní impregnace vláken ve více směrech, jako jsou 0 °, 90 °, ± 45 °, čímž se snižují následné procesy vrstvení produktu a zvyšuje se výrobní efektivita o 40 %. Je zvláště vhodná pro výrobu velkých komponentů, jako jsou lopatky větrných turbín a trupy lodí.
• 13. Výzkum a aplikace ekologických procesů: Propagujte proces impregnace bez rozpouštědel a použití biobazovaných pryskyřic (např. epoxidových pryskyřic na bázi rostlin) za účelem snížení závislosti na surovinách na bázi ropy. Současně vyvíjejte technologie chemického recyklování termosyntetických výrobků, aby byla míra recyklace zvýšena na více než 60 %, což odpovídá trendu zelené výroby a kruhové ekonomiky.