Prepregs av högpresterande aramid- och hybridfiber | Weihai Dushi

Kärnklassificering: Noggrann uppdelning baserat på prestandaorientering och användningsscenarier

Aramidfiberprepreg har ett rikt kategorisystem, vilket kan delas in i fyra dominerande kategorier baserat på hartstyp, fibertyp, funktionella egenskaper och layout. Varje produkt fokuserar på differentierade användningsscenarier och uppnår exakt anpassning till behoven inom olika branscher.

1. Funktionsbegränsad uppdelning efter hartstyp: termohärdande och termoplastiska

Hartsystemet är den kärnelement som bestämmer formningskarakteristika och användningsområde för aramidfiberprepreg, vilket kan delas in i två grundläggande kategorier. De skiljer sig tydligt åt när det gäller härdningsmekanism och prestandafokus:

• Termohärdande aramidfiberprepreg: Baserat på epoxihars, fenolhars, cyanatestershars etc. krävs irreversibel korslänkning och härdning genom värme och tryck. Det är för närvarande den dominerande kategorin på marknaden och utgör över 85 % år 2024. Av dessa används epoxiharsbaserade produkter brett inom luft- och rymdfartsstrukturer, högklassig skyddsutrustning och andra scenarier tack vare sin utmärkta adhesion och balanserade mekaniska egenskaper (dragstyrka kan nå upp till 280 MPa eller mer); fenolharsbaserade produkter fokuserar på utmärkt flamskydd och temperaturmotstånd, med låg röktäthet vid förbränning, vilket gör dem lämpliga för inredning av rullande materielvagnar och brandsäkra komponenter i fartyg; cyanatestersharsbaserade produkter har låga dielektriska egenskaper, med en dielektrisk konstant på ≤ 2,8, och är lämpliga för högfrekvensscenarier såsom radomslag och 5G-antenner. De kärnkaraktäristiska egenskaperna hos denna typ av aramidfiberförform är stabil struktur och utmärkt krypbeständighet efter härdning, men formningscykeln är relativt lång (vanligtvis 40–90 minuter) och återvinningssvårigheten är hög.
  
• Termoplastisk aramidfiber preimpregnering: Genom att använda smältbara harts såsom polyetereterketon (PEEK), polyamid (PA) och polypfenylensulfid (PPS) har det omvändbara egenskaper av "uppvärmning mjukgöring svalning härdning" och har snabbt ökat under de senaste åren, med en marknadsandel på 15 % år 2024. Dess främsta fördelar är hög formningsverkningsgrad, vilket förkortar cykeltiden med mer än 60 % jämfört med termhärdande produkter. Den enskilda omgångsformningstiden kan hållas inom 15–30 minuter, och materialet kan återvinnas och återanvändas, vilket möter behoven av storskalig produktion för skydd av batteripack för elfordon, högklassiga sportutrustningar och så vidare. Till exempel har lockplattan till bilbatteripack tillverkad av PA-baserad aramidfiberpreimpregnering en slagstyrka på 120 kJ/m², vilket är 45 % lättare än traditionella metalllock. Efter en kollision kan vissa skador repareras genom uppvärmning.
  

2. Efter typ av aramidfiber: källdifferentiering av grundläggande prestanda

Materialens egenskaper hos aramidfiber ger olika prestandabaserade substrat för aramidfiberprepreg, uppdelat huvudsakligen i tre kategorier, anpassade efter olika krav på hållfasthet och kostnad:

• Prepreg baserat på para-aramid (PPTA): Den mest vanliga högpresterande kategorin, med fibröshållfasthet över 3,6 GPa, modul på 120 GPa och slagstyrka mer än fem gånger större än stål. Den används främst inom luftfart, försvar och militärindustri där stränga prestandakrav ställs. Till exempel används DuPonts Kevlar® Aramidfiberprepreg gjort av 49 fibrer brett för att förstärka flygplanskarossribbor och kulsäkra hjälmar, med en kulsäkerhetsnivå upp till NIJ III.
  
• Prepreg baserat på meta-aramid (PMIA): Med utmärkt korrosionsmotstånd och flamskydd som kärnegenskaper kan det användas under lång tid vid temperaturer över 200 ℃. Efter uppsugning i en 50% svavelsyralösning i 1000 timmar är den mekaniska prestandaförsvagningen mindre än 8%, vilket gör det lämpligt för skydd av kemiska rörledningar, material för högtemperaturfiltrering och andra scenarier. Teijinconex, likt Emperor's aramid ® Prepreg gjord av fibrer, används som korrosionsskyddande beläggning för kemikaliebehållare.
  
• Co aramidbaserat prepreg: Det kombinerar fördelarna med para-aramid och meta-aramid, med en kostnadsminskning på mer än 30 % jämfört med ren para-aramid, och har en brottgräns på 2,8 GPa. Det är lämpligt för high-end sportutrustning, bilinredning och andra kostnadskänsliga mellan- till högnivåscenarier såsom badmintonracketar och racingsäten ryggstöd.
  

3. Förläggning av fiber: Olika design för mekanisk prestanda vid unidirektionell och flätad struktur

Arrangemanget av aramidfibrer avgör direkt de riktade mekaniska egenskaperna hos aramidfiberprepreg, vilket bildar två kärnkategorier för olika spänningsscenarier:

• Enriktad aramidfiberpreform: Aramidfibrer är arrangerade parallellt längs en enda riktning, med en riktighetsgrad på över 99,6 %, vilket resulterar i optimala mekaniska egenskaper i materialet längs fiberaxeln. Dragstyvheten kan uppnå över 110 GPa, medan tvärriktningsegenskaperna är relativt svaga. Denna typ av produkt används främst för strukturella komponenter som kan bära enhetliga belastningar, såsom flygplansvingeslaglager, kantbeskydd för vindturbinblad, broförstärkningsband etc. Genom multiriktad staplingsdesign kan komplexa spänningskrav uppfyllas. Dess ytviktsomfattning täcker 50 g/㎡ till 400 g/㎡ och kan väljas exakt utifrån storleken på belastningen. Till exempel är kanten på ett 10 MW vindturbinblad tillverkat av 200 g/㎡ envägs aramidfiberpräpreg, vilket kan förbättra bladets motståndskraft mot åsknedslag med 60 %.
  
• Vävd aramidfiberpräpreg: Aramidfibrer är vävda tillsammans i platt vävning, twillvävning, satinvävning och andra vävningsmetoder, med en flerriktad balanserad fördelning av mekaniska egenskaper samt bättre draperbarhet och skärresistens. Produkter med platt vävning har en tät struktur och stark slitstyrka, vilket gör dem lämpliga för skyddsutrustning såsom kulsäkra västar och stötväskor; Twillvävda produkter har utmärkt flexibilitet och kan anpassas till komplexa kurvade ytor. De används för krockskyddsskikt i fartygsskrov och kollisionstag i bil­dörrar; Satinvävda produkter kännetecknas av hög rejsstyrka, med en rejsstyrka på upp till 80 kN/m, lämpliga för inredningsdelar inom luft- och rymdfart och högpresterande tälttyger. Produkter med olika vävningsmetoder kan kombineras med olika trådtätheter i storlekar från 100D till 1000D, vilket skapar ett mångsidigt urval från fina strukturer till grovare material.
  

4. Anpassade derivatkategorier för särskilda scenarier baserat på funktionella egenskaper

I svar till extrema miljöer eller särskilda behov har Aramidfiber preprep utvecklat flera funktionella underkategorier, vilket blivit en nyckelfaktor för att utvidga användningsgränserna:

• Höghållfast Aramidfiber prereg: Genom användning av modifierad polyimidharts kan den långsiktiga användningstemperaturen nå 250–350 ℃, och dragstyrkebevarandet vid höga temperaturer överstiger 85 %. Till exempel används DuPonts Kevlar® Prepreg gjord av 149 fibrer kombinerade med polyimidharts för isoleringskomponenter runt flygmotorer och för klädsel i raketlansarer.
  
• Flamskyddsbehandlad Aramidfiber prereg: genom att förlita sig på den naturliga flamskyddande egenskapen hos meta-aramid, kombinerat med halogenfri flamskyddsplast, kan brandmotståndet uppnå nivå UL94 V0, och det frigörs inga giftiga gaser vid förbränning. Röktäthetsgrad (SDR) är mindre än 15, lämplig för scenarier med extremt höga brandskyddskrav såsom inredning i tunnelbanevagnar och skiljeväggar i flygplanskabiner.
  
• Antistatisk Aramidfiber prepreg: Tillägg av ledande fyllnadsmedel (såsom kolnanorör) till plasten för att styra ytresistansen mellan 10⁶–10⁸ Ω samtidigt som slagstyrka bevaras, lämplig för skyddsutrustning i gruvor, antistatiska skal för elektronikapparater och andra scenarier.
  
• Väderhållfast Aramidfiber prepreg: Anti-UV- och åldersbeständiga komponenter är tillsatta i hartsen, och minskningen av mekaniska egenskaper är mindre än 10 % efter fem år med utomhusexponering. Den är lämplig för utomhusreklam, skyddshylsor för högspänningskablar, utomhus vindkraftutrustning och andra liknande scenarier.
  

Kernfördel: Sex kärnegenskaper som omdefinierar materialens tillämpningsvärde
Aramidfiberpreformen sticker ut bland många kompositmaterial och blir ett "måste-ha-material" för högklassigt skydd och precisionsframställning tack vare sina omfattande fördelar vad gäller stötvållighet, lättvikt, stabilitet och andra aspekter. Dessa egenskaper tillsammans skapar dess oersättliga marknadsposition.

1. Ultimativ prestanda vad gäller stötvållighet och snygghet

Slagstyrka är den kärnade fördelen med Aramidfiberprepreg, och den höga tåligheten hos aramidfibrer samt limmedlets bindverkan skapar en synergistisk effekt, vilket ger materialet en utmärkt energiabsorptionsförmåga. Slagtåligheten för vanligt para-aramidbaserat prepreg kan överstiga 150 kJ/m², vilket är tre gånger mer än kolfiberprepreg och åtta gånger mer än stål. Inom skyddssystem kan en skyddsplatta tillverkad av 100 g/m² envävad aramidfiberprepreglaminat motstå skott från 9 mm handpistol och väger endast 1/5 av motsvarande stålplattor med samma skyddsnivå; Inom flyg- och rymdindustrin minskar användningen av slagtålig aramidfiberprepreg på flygplanskarossen det strukturella skadeområdet med 70 % vid fågelslag; Inom ny energi kan användningen av detta material för batterisäkring betydligt minska risken för termisk genomgång i säkerhetstester som nålstickning och komprimering. Dessutom är dess slipstyrka också mycket imponerande, där slipmotståndet för 200 g/m² vävd aramidfiberprepreg når EN 388 nivå 5, långt bortom vad vanliga fibermaterial kan prestera.

2. Utmärkt lättvikt och mekanisk balans

Aramidfiberprepreg kombinerar perfekt prestandafördelarna hos aramidfiber och harpik, vilket ger en optimal balans av "hög styrka + lättvikt". Dess densitet är endast 1,4–1,6 g/cm³, mindre än 1/5 av stål och halva mängden jämfört med aluminiumlegering, medan dess brottgräns kan nå 280–350 MPa, vilket är jämförbart med vanligt stål. Inom flyg- och rymdindustrin kan inredningsdelar och strukturella förstärkningar tillverkade med aramidfiberprepreg minska vikten med över 300 kg per flygplan, vilket direkt minskar bränsleförbrukningen med 8–10 %; Inom bilindustrin minskar användningen av detta material i chassin på racerbilar vikten med 55 % jämfört med aluminiumchassin, samtidigt som slagstyrkan ökar med 40 %; Inom sportutrustning kan golfklubbor baserade på 1K aramidprepreg minska vikten med 25 %, öka svanshastigheten med 10 % och öka slagdistansen med 15 yards. Dessutom har materialet utmärkta mekaniska egenskaper med en böjmodul på upp till 80–110 GPa. Det deformeras inte lätt efter långvarig användning och är därför lämpligt för olika bärstrukturscenario.

3. Miljöanpassningsförmåga och hållbarhet i alla scenarier

Aramidfiberprepreg har miljömotstånd som ligger långt över traditionella material, vilket gör det till ett pålitligt val för komplexa arbetsförhållanden. När det gäller korrosionsmotstånd kan meta-aramidprepreg ha en livslängd på över 15 år i starkt sura, starkt alkaliska, saltvatten- och andra aggressiva miljöer. Inom marina fartyg kan skyddsskiktet för skrovet, tillverkat av detta material, motstå sjövattenerosion och förlänga underhållscykeln med tre gånger jämfört med galvaniserade stålplattor; När det gäller väderbeständighet har produkter med tillsatta UV-beständiga ingredienser en färgbevaringsgrad på över 90 % efter fem års utomhusutsättning, utan att spricka eller pulverisera; När det gäller temperaturbeständighet kan högtemperaturprodukter användas korttidigt upp till 350 ℃ och långsiktigt upp till 250 ℃, samt presterar stabilt i högtemperaturscenarier såsom industriugnar och flygmotorer; När det gäller utmattningstålighet når bevarandegraden av utmattningsstyrka över 90 % under dynamiska belastningscykler, vilket är 12 procentenheter högre än branschgenomsnittet. Efter användning av detta material kan livslängden för vindturbinblad förlängas till över 25 år.

4. Högst flexibel anpassningsförmåga

Aramidfiberprepreg kan uppnå fullständig anpassning av dimensionella parametrar och exakt matcha personliga behov inom olika branscher. Hartsystemet kan justeras beroende på användningsområde, till exempel högtemperatursbeständigt polyimidharts för flygindustrin och snabbhärdande epoxiharts för bilindustrin; noggrannheten i hartshaltkontroll når ±0,5 %, vilket säkerställer konsekvent produktprestanda; Fibertyper kan väljas efter behov, med flexibla kombinationer av para-, meta- eller co-aramidfiber; bredden stöder anpassning från 0,3 m till 2,0 m, och stora fartygsskrov kan använda 2,0 m breda produkter, vilket minskar antalet fogar med mer än 60 %; funktionella egenskaper kan kombineras och staplas, till exempel "flamhämmande + antistatisk", "hög temperaturbeständighet + korrosionsbeständighet" och andra sammansatta funktioner. Till exempel Aramidfiberprereg, en sammansatt funktion som används i skyddsutrustning under jord för gruvor, uppfyller inte bara flamhämmande krav enligt UL94 V0-nivå utan har även antistatiska egenskaper samtidigt som slagstyrka säkerställs.

5. Utmärkt processanpassning och formningsverkningsgrad

Aramidfiberpräpreg är kompatibelt med dominerande processer för formning av kompositmaterial, såsom varmpressbehållare, kompressionsformning, vakuumskal och lindning, och lämpar sig för skilda behov från enskild anpassning till massproduktion. Kompressionsformningsprocessen är lämplig för standardiserade komponenter såsom batteripacklock och kulsäkerhetsplattor. Tiden för enstaka produktionsslag kan hållas inom 15–30 minuter, och dimensionsnoggrannhetsfelet är ≤± 0,2 mm. Formning med varmpressbehållare är lämplig för högpresterande flyg- och rymdfartsdelar, och produkten har en intern defektfrekvens på mindre än 0,3 % genom tryckstyrning på 0,8–1,2 MPa och temperaturstyrning på 120–200 ℃. Lindningsformning är lämplig för cylindriska komponenter såsom rör och tryckkärl. Den riktade arrangeringen av aramidfiber gör att produktens axiella och omkretsstyrka kan uppnå en kvot på 4:1, vilket uppfyller kraven för transport under högt tryck. Dessutom är det halvgoda tillståndet lätt att skära och placera ut, med en svinnfrekvens på endast 3–5 %, långt lägre än de 15–20 % som gäller för traditionell våtformning, vilket minskar materialspill avsevärt.

6. Fördelar med avseende på kostnadsnytta under hela livscykeln

Även om den initiala inköpskostnaden för Aramidfiber-prereg är högre än för traditionella material, är fördelen när det gäller livscykelkostnad betydande. Inom försvar och militärindustri kan dess lättviktsegenskaper minska transportkostnaderna för utrustning med 40 % och förbättra utrustningens rörlighet; inom ny energi har användningen av detta material för batterisäkerhet ökat genomströmningen i säkerhetstester med 80 %, vilket undvikit stora förluster orsakade av säkerhetsolyckor; inom industriell utrustning kan dess korrosionsmotstånd förlänga underhållscykeln från 1 till 5 år och minska underhållskostnaderna med 70 %; inom flyg- och rymdindustrin kan en viktminskning på 300 kg per flygplan spara cirka 1,2 miljoner yuan i bränslekostnader årligen. Återvinningsbarheten hos termoplastiska produkter minskar ytterligare råmaterialkostnaderna, där återvunnet material behåller över 75 % av sina prestanda och kan användas för tillverkning av sekundära strukturella komponenter.

Processförsäljningspoäng: noggrann kontroll och värdeförbättring från råvaror till färdiga produkter

Utmärkelsen hos Aramidfiber preimpregnerat material ligger i dess noggranna produktionsprocess och fullständiga kvalitetskontroll under hela processen. Dess processsystem säkerställer inte bara produktkonsekvens, utan uppnår även en optimerad balans mellan prestanda och kostnad, vilket blir kärnstödet för kategorins konkurrenskraft.

1. Kärnproduktionsprocess: Dubbel garanti genom hett smältförfarande och lösningstillämpningsmetod

Inom branschen används två kärnimprägneringsprocesser, som kan väljas flexibelt beroende på produktpositionering och kvalitetskrav för att säkerställa prestandastabilitet hos aramidfiberprepreg:

• Hett smältförfarande: Värm harzen till 90–130 ℃ för att minska viskositeten, jämnt applicera harz på aramidfibrernas yta genom precisionsvärmerullar och kyl sedan snabbt ner till rumstemperatur via kylrullar för att slutföra halvhärdning och formning. Den centrala fördelen med denna process är frånvaron av lösningsmedelsrester, exakt kontroll av harzinnehåll upp till ±0,5 % samt hög konsekvens i fibrernas ordning, vilket gör den särskilt lämplig för produktion av högpresterande aramidfiberimpregnering för luft- och rymdfartsapplikationer. Kevlar från DuPont® använder denna process för hela serien impregneringar, där man via datorstyrning reglerar trycket (0,6–1,0 MPa) och hastigheten (4–8 m/min) hos värmerullarna, vilket säkerställer att harzfördelningsfelet per kvadratmeter produkt är mindre än 0,3 %.
  
• Lösningsimpregneringsprocess: Hartset löses upp i organiska lösningsmedel som aceton och xylen för att bilda en lösning med låg viskositet. Efter att aramidfibrerna fullständigt har upptagits av hartset i impregneringskaret, avdunstar lösningsmedlet genom en flerstegs torkkanal med varmluft (temperaturgradient 60–130 ℃), vilket slutligen resulterar i ett halvutfärskat tillstånd. Denna processutrustning har låga investeringskostnader och hög produktionshastighet (med en linjehastighet på 12–18 m/min), vilket gör den lämplig för storskalig produktion av universella aramidfiberpreformar. För att lösa problemet med återstod av lösningsmedel har industrin omfattande antagit vakuumassisterad avlägsnande- och kvävesskyddad torkteknik, vilket minskar mängden kvarvarande lösningsmedel till under 0,08 % och undviker bubblor och delamineringsskador efter produkten härdats.
  

2. Nyckelprocesskontrollpunkter: de fem kärnprocesser som avgör prestanda

Kvalitetsstabiliteten hos Aramidfiberpräpreg kommer från den noggranna kontrollen av hela produktionsprocessen, där fem nyckellänkar direkt avgör produktens slutliga prestanda:

• Ytbehandling av aramidfiber: Ytan på aramidfiber är slät och har svag adhesion till harts. Den måste behandlas med plasmaoxidation eller täckas med kopplingsmedel för att öka mängden aktiva grupper på fibrernas yta. Efter behandling ökar gränsytans sammanhållningsstyrka mellan fiber och harts med mer än 45 %, vilket effektivt löser problem med delaminering och lossning som ofta uppstår i traditionella produkter. Efter denna behandling kan slagstyrkan hos para-aramidbaserat prepreg förbättras med 30 %.
  
• Exakt modulering av hartsformel: Enligt produktens funktionskrav doseras harts, härdmedel, tillsatsmedel och andra ingredienser noggrant. Till exempel kräver brandskyddande produkter tillsats av 18–25 % fosfor- och kvävebaserade flamskyddsmedel, tillsammans med 0,8 % motverkande medel mot droppning; För temperaturbeständiga produkter måste förhållandet mellan polyimidharts och härdmedel justeras för att säkerställa korslänkningsdensitet; Antistatiska produkter ska ha en jämn fördelning av 5–8 % kolnanorör för att undvika ojämn ledningsförmåga. Formulan framställs med ett helt automatiskt blandnings- och ultraljudsdispersionssystem, med en felmarginal inom ± 0,1 %.
  
• Dynamisk kontroll av impregneringsparametrar: Justering i realtid av impregneringshastighet, temperatur och tryck baserat på linjärt densitet för aramidfibrer och hartshetegrad. Till exempel styrs nedsmältningshastigheten för 100D filamentbuntar vid 6–8 m/min, och trycket sänks till 0,5 MPa för att undvika fiberbrott; För 1000D grova fiberbuntar kan hastigheten ökas till 15 m/min och trycket kan höjas till 0,9 MPa för att säkerställa att hartsen fullständigt tränger in i fibrernas inre.
  
• Exakt kontroll av B-stegs härdning: Genom att justera torktemperatur och tid styrs hartsens härdningsgrad i ett halvhärdat tillstånd på 35–45 %, vilket säkerställer att produkten har en viss viskositet för enkel lamineringsbearbetning och undviker för tidig fullständig härdning. Härdningsgrad övervakas i realtid med differentiell skanningskalorimetri (DSC) och dynamisk mekanisk analys (DMA) med ett fel mindre än 2 %.
  
• Strikt kvalitetsinspektion av färdiga produkter: Varje produktbatch måste genomgå flera tester, inklusive hartsinnehåll (noggrannhet ± 0,1 %), fibrers yttdensitet (± 1 g/㎡), dragstyrka, slagseghet, flamskyddande prestanda etc. Ett datorsynsystem används för att upptäcka homogeniteten i fibrernas ordning och mönstrens helhet, med en defektdetekteringsgrad på 99,9 %, vilket säkerställer att ej godkända produkter inte kommer ut på marknaden.
  

3. Trend inom processinnovation: Tre huvudriktningar för att främja kategoriförbättring

Branschen fortsätter att förbättra prestanda och kostnadseffektivitet för Aramidfiberprepreg genom processinnovation, med tre stora innovationsriktningar som leder kategorins utveckling:

• Uppgradering av automatiserad produktionslinje: Inför industrirobotar och AI-baserat visioninspektionssystem för att uppnå full automatisering av hela processen – från aramidfiber-upprullning, impregnering, härdning till upprullning och skärning – vilket ökar produktiviteten med mer än 60 % och minskar produktkonsistensfelet till ± 0,2 %. Till exempel kan den automatiserade produktionslinjen hos ett ledande företag uppnå en daglig produktion på 4000 kvadratmeter per linje, vilket är fyra gånger högre än traditionella manuella produktionslinjer.
  
• Genombrott inom fleraxlig lagerlagringsteknik: Utvecklade en multiaxial aramidfiberprepreg-produktionslinje som samtidigt kan genomföra synkron impregnering och lagerläggning i flera riktningar vid vinklarna 0°, 90°, ±45° och andra, vilket minskar efterföljande produktlagerprocesser och ökar produktionshastigheten med 45 %. Den är särskilt lämplig för tillverkning av stora komponenter såsom vindkraftsblad och fartygsskrov, samtidigt som den förbättrar produkternas totala mekaniska egenskaper.
  
• Grön processforskning och tillämpning: Främja lösningsmedelsfri impregneringsprocess och användningen av biobaserade hartsar (till exempel epoxihart baserat på ricinolja), minska beroendet av råmaterial från petroleum och minska utsläppen av VOC med mer än 90 %; utveckla kemisk depolymerisation och återvinningsmetodik för termohärdande produkter för att öka återvinningsgraden av aramidfibrer till över 80 %, i linje med trenderna inom grön tillverkning och cirkulär ekonomi.