Высокопроизводительные арамидные и гибридные волокнистые препреги | Weihai Dushi

Основная классификация: точное разделение на основе ориентации по производительности и сценариев применения

Препреги из арамидного волокна имеют разветвлённую систему категорий, которые можно разделить на четыре основные категории по типу смолы, типу волокна, функциональным характеристикам и структуре. Каждый продукт ориентирован на различные сценарии применения, обеспечивая точное соответствие потребностям различных отраслей.

1. Разделение по функциональным признакам в зависимости от типа смолы: термореактивные и термопластичные

Система смол является ключевым элементом, определяющим характеристики формования и область применения препрега из арамидного волокна, и может быть разделена на две основные категории. Эти категории существенно различаются по механизму отверждения и основным эксплуатационным свойствам:

• Термореактивный препрег из арамидного волокна: На основе эпоксидной смолы, фенольной смолы, смолы цианатного эфира и т.д., требует необратимой поперечной сшивки и отверждения путем нагрева и давления. В настоящее время это основная категория на рынке, доля которой к 2024 году превышает 85 %. Среди них продукты на основе эпоксидной смолы широко используются в конструкционных элементах аэрокосмической отрасли, высококачественных защитных устройствах и других областях благодаря отличной адгезии и сбалансированным механическим свойствам (прочность при растяжении может достигать 280 МПа или более); Продукты на основе фенольной смолы отличаются высокой огнестойкостью и термостойкостью, при горении выделяют мало дыма, что делает их подходящими для внутренней отделки железнодорожных вагонов и огнестойких компонентов судов; Продукты на основе смолы цианатного эфира обладают низкими диэлектрическими свойствами, диэлектрическая проницаемость ≤ 2,8, и подходят для высокочастотных применений, таких как обтекатели радаров и антенны 5G. Основными характеристиками этого типа заготовок из арамидного волокна являются стабильная структура и превосходная стойкость к ползучести после отверждения, однако цикл формования относительно длительный (обычно 40–90 минут), а переработка затруднена.
  
• Термопластичное арамидное волокно препреги: Используя плавкие смолы, такие как полиэфирэфиркетон (PEEK), полиамид (PA) и полифениленсульфид (PPS), обладает обратимыми свойствами «нагрев-размягчение-охлаждение-затвердевание» и быстро развивается в последние годы, к 2024 году доля рынка составила 15%. Его основные преимущества — высокая эффективность формования, которая сокращает цикл производства более чем на 60% по сравнению с термореактивными материалами. Время формования одной партии можно контролировать в пределах 15–30 минут, материал пригоден для переработки и повторного использования, что отвечает потребностям массового производства защитных элементов для аккумуляторных батарей электромобилей нового поколения, высококачественного спортивного оборудования и т.д. Например, крышка блока автомобильной аккумуляторной батареи из арамидного волокна на основе PA имеет ударную прочность 120 кДж/м² и на 45% легче традиционных металлических крышек. После столкновения некоторые повреждения можно устранить путем нагрева.
  

2. По типу арамидного волокна: различие источников основных эксплуатационных характеристик

Свойства арамидного волокна сами по себе обеспечивают различные типы подложек для препрега из арамидного волокна, которые в основном делятся на три категории, адаптированные под разные требования к прочности и стоимости:

• Препрег на основе пара-арамида (PPTA): Наиболее распространённая высококачественная категория с прочностью волокна при растяжении более 3,6 ГПа, модулем упругости 120 ГПа и ударной стойкостью более чем в 5 раз превышающей таковую у стали. Основное применение — аэрокосмическая, оборонная и военная промышленность, где предъявляются строгие требования к эксплуатационным характеристикам. Например, препрег из арамидного волокна DuPont Kevlar® на основе волокна 49 широко используется для армирования нервюр фюзеляжа самолётов и бронешлемов, обеспечивая уровень защиты до NIJ III.
  
• Препрег на основе мета-арамида (PMIA): Обладает отличной коррозионной стойкостью и огнестойкостью, может длительное время использоваться при температурах выше 200 °C. После выдержки в 50%-м растворе серной кислоты в течение 1000 часов скорость деградации механических характеристик составляет менее 8%, что делает его подходящим для защиты химических трубопроводов, высокотемпературных фильтрационных материалов и других сфер применения. Teijinconex, как и арамидный препрег Emperor's ®, изготовленный из волокон, используется в качестве антикоррозионного покрытия для химических резервуаров.
  
• Препрег на основе со-арамида: Сочетает в себе преимущества пара-арамида и мета-арамида, обеспечивая снижение стоимости более чем на 30% по сравнению с чистым пара-арамидом и прочность на растяжение 2,8 ГПа. Подходит для высокотехнологичного спортивного снаряжения, автомобильных салонов и других требовательных, но чувствительных к стоимости сценариев среднего и высокого класса, таких как бадминтонные ракетки и спинки сидений гоночных автомобилей.
  

3. Расположение волокон: конструктивное различие механических характеристик для однонаправленного и оплетённого исполнения

Расположение арамидных волокон напрямую определяет направленные механические свойства препреги из арамидного волокна, формируя две основные категории для различных условий нагрузки:

• Однонаправленная заготовка из арамидного волокна: Аramidные волокна расположены параллельно в одном направлении, с направленной согласованностью более 99,6%, что обеспечивает максимальные механические свойства материала по оси волокна. Модуль упругости при растяжении может достигать более 110 ГПа, в то время как поперечные свойства относительно слабые. Этот тип продукции в основном используется для конструкционных элементов, способных выдерживать односторонние нагрузки, например, ударопрочные слои крыльев самолетов, защита кромок лопастей ветряных турбин, армирующие ленты для мостов и т.д. Благодаря многонаправленному дизайну укладки можно удовлетворить сложные требования по напряжению. Поверхностная плотность охватывает диапазон от 50 г/м² до 400 г/м² и может точно подбираться в зависимости от величины нагрузки. Например, кромка лопасти ветряной турбины мощностью 10 МВт изготовлена из препрега однонаправленного aramidного волокна 200 г/м², что позволяет повысить устойчивость лопасти к воздействию молнии на 60%.
  
• Тканый препрег aramidного волокна: Аramidные волокна переплетаются и формируются в полотняное, саржевое, атласное и другие типы переплетений, обеспечивая многонаправленное сбалансированное распределение механических свойств, а также лучшую драпируемость и устойчивость к резанию. Изделия с полотняным переплетением имеют плотную структуру и высокую износостойкость, что делает их подходящими для средств защиты, таких как пуленепробиваемые жилеты и ножевые перчатки; изделия с саржевым переплетением обладают превосходной гибкостью и могут повторять сложные изогнутые поверхности. Они используются в качестве противоударного слоя корпусов судов и балок поглощения удара в автомобильных дверях; изделия с атласным переплетением характеризуются высокой прочностью на разрыв, достигающей 80 кН/м, и подходят для внутренних деталей летательных аппаратов и тканей высокого класса для палаток. Продукты с различными способами переплетения могут комбинироваться с различными спецификациями линейной плотности от 100D до 1000D, образуя широкий выбор — от тонких текстур до грубых структур.
  

4. Индивидуальные производные категории для специальных сценариев на основе функциональных характеристик

В ответ на экстремальные условия или специальные требования компания Aramid fiber preprep разработала несколько функциональных подкатегорий, что стало ключевым фактором расширения границ применения:

• Армидное волокно прег с высокой термостойкостью: С использованием модифицированной полиимидной смолы долгосрочная рабочая температура может достигать 250–350 °C, а коэффициент сохранения прочности при растяжении при высоких температурах превышает 85 %. Например, Kevlar® Prepreg от DuPont из волокон 149 в сочетании с полиимидной смолой используется для теплоизоляционных компонентов вокруг авиационных двигателей и внутренней облицовки пусковых установок ракет.
  
• Огнестойкий прег из арамидного волокна: благодаря естественной огнестойкости мета-арамида, в сочетании с безгалогенным огнезащитным связующим, достигается уровень огнестойкости UL94 V0, при этом при горении не выделяются токсичные газы. Показатель плотности дыма (SDR) менее 15, подходит для сценариев с крайне высокими требованиями к пожарной безопасности, таких как внутренние панели вагонов метро и перегородки в салонах самолетов.
  
• Антистатическое арамидное волокно пропитанное: Добавление проводящих наполнителей (например, углеродных нанотрубок) в смолу позволяет контролировать поверхностное сопротивление в диапазоне 10⁶–10⁸ Ом, сохраняя при этом ударопрочность; подходит для защитного оборудования в подземных шахтах, антистатических корпусов электронных устройств и других применений.
  
• Арамидное волокно с повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям, пропитанное: В смолу добавлены компоненты, защищающие от ультрафиолетового излучения и старения, а коэффициент снижения механических свойств составляет менее 10 % после пяти лет эксплуатации на открытом воздухе. Подходит для наружной рекламы, защитных кожухов высоковольтных кабелей, оборудования морских ветровых электростанций и других сценариев.
  

Ключевое преимущество: шесть основных характеристик, формирующих новую ценность применения материалов
Заготовка из арамидного волокна выделяется среди множества композитных материалов и становится «обязательным материалом» для высококлассной защиты и прецизионного производства благодаря своим всесторонним преимуществам по таким параметрам, как стойкость к ударным нагрузкам, легкость, стабильность и другим. Эти характеристики вместе формируют его незаменимое положение на рынке.

1. Максимальная стойкость к ударным воздействиям и порезам

Сопротивление удару является основным преимуществом препрега из арамидного волокна, а высокая вязкость арамидных волокон и связующий эффект смолы создают синергетический эффект, обеспечивая превосходную способность материала поглощать энергию. Ударная вязкость обычного препрега на основе пара-арамидного волокна может достигать более 150 кДж/м², что в три раза превышает показатель препрега из углеродного волокна и в восемь раз — показатель стали. В области бронезащиты бронеплита, изготовленная из однонаправленного ламината препрега арамидного волокна плотностью 100 г/м², способна выдерживать воздействие пуль от пистолета калибра 9 мм и при этом весит лишь 1/5 от стальных пластин с аналогичным уровнем защиты; В авиационно-космической отрасли применение ударопрочного слоя из препрега арамидного волокна на фюзеляже самолёта снижает площадь структурных повреждений на 70% при столкновении с птицей; В сфере новых источников энергии использование этого материала для защиты аккумуляторов позволяет значительно снизить риск теплового пробоя в ходе таких испытаний на безопасность, как прокалывание иглой и сдавливание. Кроме того, его устойчивость к порезам также чрезвычайно высока: уровень стойкости к резанию у тканого препрега арамидного волокна плотностью 200 г/м² достигает 5 уровня по стандарту EN 388, что значительно превосходит показатели обычных волокнистых материалов.

2. Отличный легкий вес и механический баланс

Препрег из арамидного волокна идеально сочетает в себе эксплуатационные преимущества арамидного волокна и смолы, обеспечивая оптимальный баланс «высокой прочности + легкости». Его плотность составляет всего 1,4–1,6 г/см³, что менее 1/5 от плотности стали и 1/2 от плотности алюминиевого сплава, при этом прочность на растяжение может достигать 280–350 МПа, что сопоставимо с обычной сталью. В авиакосмической промышленности детали интерьера самолетов и конструкционные усилители, изготовленные из препрега на основе арамидного волокна, позволяют снизить массу каждого самолета более чем на 300 кг, что напрямую уменьшает расход топлива на 8–10 %; в автомобильной сфере использование этого материала в кузовах гоночных автомобилей снижает вес на 55 % по сравнению с кузовами из алюминиевых сплавов, одновременно повышая ударопрочность на 40 %; в производстве спортивного инвентаря клюшки для гольфа на основе 1К препрега из арамидного волокна позволяют снизить вес на 25 %, увеличить скорость замаха на 10 % и дальность удара — на 15 ярдов. Кроме того, его механические свойства отличаются высокой сбалансированностью: модуль изгиба достигает 80–110 ГПа. Материал не деформируется после длительного использования и подходит для различных несущих конструкций.

3. Адаптация к окружающей среде и долговечность во всех сценариях

Препреги из арамидного волокна обладают устойчивостью к воздействию окружающей среды, значительно превосходящей традиционные материалы, что делает их надёжным выбором для сложных условий эксплуатации. По устойчивости к коррозии препреги из мета-арамида могут служить более 15 лет в условиях воздействия сильных кислот, щелочей, солевого тумана и других агрессивных сред. В судостроении защитный слой корпуса, изготовленный из этого материала, способен противостоять эрозии морской водой и увеличивает интервал между техническим обслуживанием в три раза по сравнению с оцинкованными стальными листами; По устойчивости к атмосферным воздействиям изделия, содержащие компоненты, защищающие от УФ-излучения, сохраняют цвет на уровне более 90% после пятилетнего пребывания на открытом воздухе, не растрескиваясь и не осыпаясь; По термостойкости высокотемпературные изделия могут кратковременно использоваться при температуре 350 °C и длительно — при 250 °C, обеспечивая стабильную работу в условиях высоких температур, например, в промышленных печах и авиационных двигателях; По усталостной прочности при циклических динамических нагрузках коэффициент сохранения усталостной прочности превышает 90%, что на 12 процентных пунктов выше среднего показателя отрасли. После применения этого материала срок службы лопастей ветровых турбин может быть продлён до более чем 25 лет.

4. Высокая гибкость возможностей настройки

Препреги из арамидного волокна позволяют полностью настраивать размерные параметры, точно соответствуя индивидуальным потребностям различных отраслей. Система смол может быть адаптирована под конкретный сценарий использования, например, термостойкая полиимидная смола для авиации и быстротвердеющая эпоксидная смола для автомобилей; точность контроля содержания смолы достигает ±0,5%, что обеспечивает стабильность эксплуатационных характеристик продукции; тип волокна можно выбирать по требованию, возможны гибкие комбинации пара-, мета- или ко-арамидных волокон; ширина допускает кастомизацию от 0,3 м до 2,0 м, при этом для крупных судовых корпусов могут использоваться продукты шириной 2,0 м, что позволяет сократить количество стыковых швов более чем на 60%; функциональные свойства могут комбинироваться и накладываться, например, «антиперенос + антистатический», «стойкость к высоким температурам + коррозионная стойкость» и другие составные функции. Например, препрег из арамидного волокна с комбинированной функцией, применяемый в защитном оборудовании для подземных угольных шахт, не только соответствует требованиям по огнестойкости UL94 V0, но и обладает антистатическими свойствами, одновременно обеспечивая устойчивость к ударным нагрузкам.

5. Отличная адаптация процесса и эффективность формования

Препрег из арамидного волокна совместим с основными процессами формования композитных материалов, такими как горячее прессование в формах, компрессионное формование, вакуумный пакет и намотка, и подходит для различных потребностей — от единичного изготовления до массового производства. Процесс компрессионного формования подходит для стандартизированных компонентов, таких как крышки аккумуляторных блоков и бронезаглушки. Время одного цикла производства можно контролировать в пределах 15–30 минут, а погрешность размерной точности составляет ≤±0,2 мм. Формование в горячих пресс-формах подходит для высокотехнологичных изделий в аэрокосмической отрасли, при этом внутренний уровень дефектов продукта составляет менее 0,3% за счёт контроля давления в диапазоне 0,8–1,2 МПа и температуры в диапазоне 120–200 °C; формование методом намотки подходит для цилиндрических деталей, таких как трубы и сосуды под давлением. Ориентированное расположение арамидных волокон позволяет достичь соотношения прочности по осевому и окружному направлениям 4:1, что соответствует требованиям транспортировки под высоким давлением. Кроме того, его частично отвержденное состояние легко поддаётся резке и укладке, а процент отходов составляет всего 3–5%, что значительно ниже, чем 15–20% при традиционном мокром формовании, что существенно снижает расход материала.

6. Преимущества соотношения стоимости и эффективности на протяжении всего жизненного цикла

Хотя первоначальная стоимость закупки преформы из арамидного волокна выше, чем у традиционных материалов, её преимущество по полному жизненному циклу является значительным. В области обороны и военной промышленности её лёгкий вес позволяет снизить затраты на транспортировку оборудования на 40% и повысить мобильность техники; в сфере новых источников энергии использование этого материала для защиты аккумуляторов повысило процент прохождения испытаний на безопасность на 80%, предотвратив огромные потери, вызванные авариями; в промышленном оборудовании его коррозионная стойкость позволяет увеличить межремонтный период с 1 года до 5 лет, снизив эксплуатационные расходы на 70%; в аэрокосмической отрасли снижение массы одного самолёта на 300 кг позволяет ежегодно экономить около 1,2 миллиона юаней на топливе. Возможность переработки термопластичных изделий дополнительно снижает затраты на сырьё, при этом показатель сохранения свойств переработанных материалов превышает 75%, что позволяет использовать их для производства второстепенных конструкционных элементов.

Технологическое конкурентное преимущество: точный контроль и повышение ценности от сырья до готового продукта

Превосходство препрега из арамидного волокна заключается в точном производственном процессе и полном контроле качества на всех этапах. Его технологическая система не только обеспечивает стабильность продукции, но и достигает оптимального баланса между эксплуатационными характеристиками и стоимостью, становясь ключевой основой конкурентоспособности продукта.

1. Основной производственный процесс: двойная гарантия метода горячего нанесения и метода растворного пропитывания

В отрасли широко применяются два основных процесса пропитки, которые можно гибко выбирать в зависимости от позиционирования продукта и требований к качеству, чтобы обеспечить стабильность характеристик препрега из арамидного волокна:

• Процесс горячего наложения: Нагрейте смолу до 90–130 °C, чтобы снизить вязкость, равномерно нанесите смолу на поверхность арамидных волокон с помощью прецизионных нагреваемых валков, а затем быстро охладите до комнатной температуры с помощью охлаждающих валков для завершения полимеризации и формования. Основное преимущество этого процесса — отсутствие остатков растворителя, точный контроль содержания смолы с погрешностью до ±0,5 % и высокая однородность расположения волокон, что делает его особенно подходящим для производства высококачественных препрегов из арамидных волокон для аэрокосмической промышленности. Препреги серии Kevlar от DuPont® все используют этот процесс, при котором давление (0,6–1,0 МПа) и скорость (4–8 м/мин) нагреваемых валков контролируются компьютером, обеспечивая, что ошибка распределения смолы на квадратный метр продукции составляет менее 0,3 %.
  
• Процесс пропитки раствором: Смола растворяется в органических растворителях, таких как ацетон и ксилол, с образованием раствора с низкой вязкостью. После того как арамидные волокна полностью пропитаются смолой в ванне пропитки, растворитель испаряется в многозонном канале сушка горячим воздухом (градиент температуры 60–130 °C), в результате формируется полуотвержденное состояние. Оборудование для этого процесса имеет низкую стоимость инвестиций и высокую производительность (скорость линии 12–18 м/мин), что делает его подходящим для крупносерийного производства универсальных заготовок из арамидных волокон. Для решения проблемы остатков растворителя в отрасли широко применяются вакуумная система удаления и технология сушки под защитой азота, что снижает содержание остаточного растворителя до менее чем 0,08 % и предотвращает появление пузырей и дефектов расслоения после затвердевания изделия.
  

2. Ключевые точки контроля процесса: пять основных процессов, определяющих эксплуатационные характеристики

Стабильность качества препрега из арамидного волокна обеспечивается тщательным контролем всего производственного процесса, где пять ключевых этапов напрямую определяют конечные характеристики продукта:

• Обработка поверхности арамидного волокна: Поверхность арамидного волокна гладкая и имеет слабое сцепление с смолой. Ее необходимо обрабатывать с помощью плазменного окисления или нанесения связующего агента для увеличения количества активных групп на поверхности волокна. После такой обработки межфазная прочность сцепления между волокном и смолой повышается более чем на 45 %, что эффективно решает проблемы расслоения и отслоения, характерные для традиционных продуктов. Благодаря этой обработке ударная стойкость препрега на основе пара-арамидного волокна может быть улучшена на 30 %.
  
• Точная модуляция смоляной формулы: В соответствии с функциональными требованиями продукта смола, отвердитель, добавки и другие компоненты точно дозируются. Например, для огнестойких продуктов требуется добавление 18–25 % фосфорсодержащих азотных антипиренов вместе с 0,8 % антикапельных агентов; для термостойких продуктов необходимо скорректировать соотношение полиимидной смолы и отвердителя, чтобы обеспечить плотность сшивки; в антистатические продукты следует равномерно распределить 5–8 % углеродных нанотрубок, чтобы избежать неоднородной проводимости. Формула готовится с использованием полностью автоматической системы смешивания и ультразвукового диспергирования, погрешность контролируется в пределах ±0,1 %.
  
• Динамическое управление параметрами пропитки: Регулировка в реальном времени скорости пропитки, температуры и давления на основе линейной плотности арамидных волокон и вязкости смолы. Например, скорость погружения продукта с пучком нитей 100D контролируется на уровне 6-8 м/мин, а давление снижается до 0,5 МПа для предотвращения разрыва волокон; для продукта с толстым пучком волокон 1000D скорость можно увеличить до 15 м/мин, а давление — до 0,9 МПа, чтобы обеспечить полное проникновение смолы внутрь волокон.
  
• Точное управление стадией B-отверждения: Путем регулировки температуры и времени сушки степень отверждения смолы поддерживается на полузатвердевшем уровне 35–45 %, что обеспечивает определённую вязкость продукта для удобства слоения и предотвращает преждевременное полное отверждение. Контроль степени отверждения в реальном времени с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) и динамического механического анализа (DMA) с погрешностью менее 2 %.
  
• Строгий контроль качества готовой продукции: Каждая партия продукции должна пройти несколько испытаний, включая содержание смолы (точность ±0,1%), поверхностную плотность волокна (±1 г/м²), прочность на растяжение, ударную вязкость, огнестойкость и т.д. Система компьютерного зрения используется для проверки равномерности расположения волокон и целостности структуры, с показателем выявления дефектов 99,9%, что гарантирует отсутствие на рынке некачественной продукции.
  

3. Тенденция инноваций в технологических процессах: три основных направления для продвижения модернизации категории

Отрасль продолжает совершенствовать характеристики и соотношение цены и качества препрега из арамидного волокна за счет инноваций в технологических процессах, при этом три ключевых направления инноваций задают развитие категории:

• Модернизация автоматизированной производственной линии: Внедрение промышленных роботов и системы визуального контроля на основе искусственного интеллекта позволило автоматизировать весь процесс — от раскатки арамидного волокна, пропитки, отверждения до намотки и резки, что повысило производительность более чем на 60% и снизило погрешность стабильности продукции до ±0,2%. Например, автоматизированная производственная линия ведущего предприятия способна достигать суточного выпуска 4000 квадратных метров на линию, что в четыре раза превышает показатели традиционных ручных производственных линий.
  
• Прорыв в технологии многоосевой укладки: Разработана многонаправленная производственная линия для предварительной пропитки арамидного волокна, способная одновременно обеспечивать синхронную пропитку и укладку волокон в нескольких направлениях — под углами 0°, 90°, ±45° и других, что сокращает последующие процессы слоения изделий и повышает производительность на 45%. Особенно подходит для производства крупногабаритных деталей, таких как лопасти ветряных турбин и корпуса судов, а также улучшает общие механические свойства изделий.
  
• Исследование и применение экологичных процессов: Содействие внедрению процесса импрегнации без растворителей и использованию био-смол (например, эпоксидной смолы на основе касторового масла), сокращение зависимости от нефтехимического сырья и снижение выбросов ЛОС более чем на 90 %; разработка технологии химической деполимеризации и переработки термореактивных материалов для повышения уровня извлечения арамидных волокон свыше 80 %, что соответствует тенденциям экологичного производства и циклической экономики.