Високоефективні арамідні та гібридні волокнисті препреги | Weihai Dushi

Основна класифікація: точний поділ на основі орієнтації на продуктивність та сценаріїв застосування

Препрег із арамідного волокна має розгалужену систему категорій, яку можна поділити на чотири основні групи залежно від типу смоли, типу волокна, функціональних характеристик та структури. Кожен продукт орієнтований на різні сценарії застосування, забезпечуючи точну адаптацію до потреб різних галузей.

1. Функціональний поділ за типом смоли: термореактивні та термопластичні

Система смол є ключовим елементом, що визначає характеристики формування та сферу застосування препрегу з арамідного волокна, і поділяється на дві основні категорії. Ці дві групи істотно відрізняються механізмом затвердіння та орієнтацією на певні властивості:

• Термореактивний препрег з арамідного волокна: На основі епоксидної смоли, фенолформальдегідної смоли, смоли ціанату естеру тощо, вимагає незворотного поперечного зшивання та затвердіння шляхом нагрівання та тиску. На даний момент є основною категорією на ринку, посідаючи понад 85% у 2024 році. Зокрема, продукти на основі епоксидної смоли широко використовуються у конструкційних елементах літаків і ракет, високоякісному захисному обладнанні та інших сценаріях завдяки чудовій адгезії та збалансованим механічним властивостям (міцність на розтяг може досягати 280 МПа або більше); продукти на основі фенолформальдегідної смоли характеризуються високою вогнестійкістю та термостійкістю, мають низьку густину диму під час горіння, що робить їх придатними для внутрішнього оздоблення вагонів залізничного транспорту та вогнетривких компонентів суден; продукти на основі смоли ціанату естеру мають низькі діелектричні властивості, діелектрична проникність ≤ 2,8, що робить їх придатними для високочастотних сценаріїв, таких як радіопрозорі оболонки та антени 5G. Основними характеристиками цього типу напівфабрикатів з арамідного волокна є стабільна структура та чудова стійкість до повзучості після затвердіння, проте цикл формування порівняно довгий (зазвичай 40–90 хвилин) і утруднений процес переробки.
  
• Термопластичне волокно з араміду пререг: Використовуючи плавкі смоли, такі як поліетеретеркетон (PEEK), поліамід (PA) та поліфеніленсульфід (PPS), матеріал має оборотні властивості «нагрівання-розм'якшення-охолодження-відвердіння» і стрімко розвивається останніми роками, досягнувши частки ринку 15% у 2024 році. Його головними перевагами є висока ефективність формування, що скорочує цикл виробництва більш ніж на 60% порівняно з термореактивними матеріалами. Час формування однієї партії можна контролювати в межах 15–30 хвилин, крім того, матеріал можна переробляти та повторно використовувати, що задовольняє потреби масового виробництва захисту батарейних блоків електромобілів, високоякісного спортивного обладнання тощо. Наприклад, кришка батарейного блоку автомобіля, виготовлена з препрегу на основі поліаміду та арамідного волокна, має ударну міцність 120 кДж/м² і на 45% легша за традиційні металеві кришки. Після зіткнення деякі пошкодження можна відремонтувати шляхом нагрівання.
  

2. За типом арамідного волокна: диференціація основних характеристик за походженням

Властивості матеріалу арамідного волокна самі по собі забезпечують різні підкладки для препрегу з арамідного волокна, головним чином поділяються на три категорії, адаптовані до різних вимог щодо міцності та вартості:

• Препрег на основі пара-араміду (PPTA): Найпоширеніша високоякісна категорія, з міцністю волокна на розтяг понад 3,6 ГПа, модуль пружності 120 ГПа та стійкістю до ударних навантажень у 5 разів вищою, ніж у сталі. Основною сферою застосування є авіакосмічна, оборонна та військова промисловість із суворими вимогами до експлуатаційних характеристик. Наприклад, препрег з арамідного волокна DuPont Kevlar® на основі волокон 49 широко використовується для підсилення нервюр фюзеляжу літаків та бронешоломів, клас захисту яких досягає NIJ III.
  
• Препрег на основі мета-араміду (PMIA): Має виняткову стійкість до корозії та вогнестійкість, може тривалий час використовуватися при температурах понад 200 ℃. Після витримування у 50% розчині сірчаної кислоти протягом 1000 годин швидкість деградації механічних властивостей становить менше 8%, що робить матеріал придатним для захисту хімічних трубопроводів, матеріалів для фільтрації при високих температурах та інших сценаріїв застосування. Teijinconex, як і арамідна препрега Emperor's ®, виготовлена з волокон і використовується як антикорозійне підкладання для хімічних резервуарів.
  
• Co aramid based prepreprereg: Поєднує переваги пара-араміду та мета-араміду, забезпечуючи зниження вартості більше ніж на 30% порівняно з чистим пара-арамідом і межею міцності на розтягнення 2,8 ГПа. Підходить для високоякісного спортивного обладнання, автомобільних інтер'єрів та інших сценаріїв із середнім і високим рівнем вимог до вартості, таких як ракетки для бадмінтону та спинки сидінь у гоночних автомобілях.
  

3. Розташування волокон: проектування з різними механічними характеристиками для одноманітного та оплетеного типів

Розташування арамідних волокон безпосередньо визначає напрямкові механічні властивості препрегу з арамідного волокна, утворюючи дві основні категорії для різних сценаріїв навантаження:

• Односпрямований препрег з арамідного волокна: Волокна араміду розташовані паралельно в одному напрямку з направленістю понад 99,6%, що забезпечує максимальні механічні властивості матеріалу вздовж осі волокна. Модуль пружності при розтягуванні може досягати понад 110 ГПа, тоді як поперечні властивості порівняно слабкі. Цей тип продукту використовується переважно для конструкційних елементів, які здатні витримувати одноманіпульні навантаження, наприклад, удароприйомні шари крил літаків, захист краю лопатей вітрових турбін, стрічки для підсилення мостів тощо. Шляхом багатонапрямкового укладання можна досягти виконання складних вимог до навантажень. Поверхнева густина охоплює діапазон від 50 г/м² до 400 г/м² і може точно підбиратися залежно від величини навантаження. Наприклад, край лопаті вітрової турбіни потужністю 10 МВт виготовлений із односпрямованого препрегу арамідного волокна 200 г/м², що підвищує стійкість лопаті до ударів блискавки на 60%.
  
• Тканий препрег арамідного волокна: Арамідні волокна переплетаються та утворюються у полотняному, саржевому, атласному та інших типах переплетення з багатонаправленим рівномірним розподілом механічних властивостей, кращою піддатливістю та стійкістю до розрізання. Вироби з полотняного переплетення мають щільну структуру та високу зносостійкість, що робить їх придатними для засобів захисту, таких як кулезахисні жилети та ножові рукавиці; вироби з саржевого переплетення мають виняткову гнучкість і добре облягають складні вигнуті поверхні, їх використовують для шару захисту від ударів у корпусах суден та балок безпеки у дверях автомобілів; вироби з атласного переплетення характеризуються високою міцністю на розрив (до 80 кН/м), що робить їх придатними для внутрішніх деталей літаків та високоякісних тканин для наметів. Продукти з різними способами ткацтва можуть поєднуватися з різними специфікаціями лінійної щільності в діапазоні від 100D до 1000D, утворюючи різноманітний вибір — від делікатних текстур до грубих структур.
  

4. Спеціалізовані похідні категорії для особливих сценаріїв на основі функціональних характеристик

У відповідь на екстремальні умови або спеціальні потреби, препрег із арамідного волокна розробив кілька функціональних підкатегорій, що стало ключовим чинником розширення меж застосування:

• Препрег із високотемпературостійкого арамідного волокна: З використанням модифікованої поліімідної смоли тривалий термін експлуатації може досягати 250–350 °C, а коефіцієнт збереження міцності при розтягуванні за високих температур перевищує 85%. Наприклад, препрег Kevlar® компанії DuPont із волокон 149 у поєднанні з поліімідною смолою використовується для ізоляційних елементів навколо двигунів літаків та обшивки труб ракетних пускових установок.
  
• Вогнестійкий препрег із арамідного волокна: завдяки природній вогнестійкості мета-араміду, поєднаному з безгалогеновою вогнегасною смолою, вогнегасна здатність може досягати рівня UL94 V0, і під час згоряння не виділяються токсичні гази. Показник щільності диму (SDR) менше 15, що робить матеріал придатним для сценаріїв із дуже високими вимогами до пожежної безпеки, таких як інтер'єри вагонів метро та перегородки в салоні літака.
  
• Антистатичний арамідний волоконний препрег: Додавання електропровідних наповнювачів (наприклад, вуглецевих нанотрубок) у смолу для регулювання поверхневого опору в межах 10⁶–10⁸ Ом із збереженням стійкості до ударних навантажень, підходить для підземного захисного обладнання в шахтах, антистатичних корпусів електронних пристроїв та інших сценаріїв.
  
• Препрег арамідного волокна з підвищеною стійкістю до атмосферних впливів: У смолу додають компоненти, що запобігають ультрафіолетовому випромінюванню та старінню, і швидкість зниження механічних властивостей становить менше 10% після п'яти років експозиції на відкритому повітрі. Підходить для зовнішньої реклами, захисних рукавів високовольтних кабелів, обладнання морської вітрової енергетики та інших сценаріїв.
  

Ключова перевага: шість основних характеристик, що змінюють цінність матеріалів у застосуванні
Заготовка з арамідного волокна вирізняється серед численних композитних матеріалів і стає «обов’язковим матеріалом» для високоякісного захисту та прецизійного виробництва завдяки своїм комплексним перевагам у таких аспектах, як стійкість до ударів, легкість, стабільність тощо. Ці характеристики разом формують його незамінне становище на ринку.

1. Остаточна стійкість до ударів і розрізання

Стійкість до ударних навантажень є основною перевагою препрегу з арамідного волокна, а висока міцність на розрив арамідних волокон та зв'язуючий ефект смоли створюють синергетичний ефект, завдяки чому матеріал має виняткову здатність поглинання енергії. Ударна в’язкість звичайного препрегу на основі пара-арамідного волокна може досягати понад 150 кДж/м², що втричі більше, ніж у препрегу з вуглецевого волокна, і вісім разів більше, ніж у сталі. У сфері балістичного захисту бронеплита, виготовлена з шаруватого препрегу арамідного волокна 100 г/м², здатна витримати постріли з пістолета калібру 9 мм і важить лише 1/5 від сталевих плит із таким самим рівнем захисту; У галузі авіації використання ударостійкого шару з препрегу арамідного волокна на фюзеляжі літака зменшує площу структурних пошкоджень на 70% під час зіткнення з птахами; У сфері нових джерел енергії використання цього матеріалу для захисту акумуляторів значно знижує ризик теплового пробою під час проходження тестів безпеки, таких як проколювання голкою та стискання. Крім того, його стійкість до розрізання також є надзвичайно високою: рівень стійкості до розрізання тканини з препрегу арамідного волокна 200 г/м² досягає рівня 5 за стандартом EN 388, що значно перевищує показники звичайних волокнистих матеріалів.

2. Відмінний легкий і механічний баланс

Препрег із арамідного волокна досконало поєднує експлуатаційні переваги арамідного волокна та смоли, забезпечуючи оптимальний баланс «висока міцність + легкість». Його густина становить лише 1,4–1,6 г/см³, що менше ніж 1/5 від сталі та 1/2 від алюмінієвого сплаву, тоді як межа міцності при розтягуванні може досягати 280–350 МПа, що порівняно зі звичайною стальлю. У авіаційно-космічній промисловості внутрішні деталі літаків і конструктивні підсилення, виготовлені з препрегу із арамідного волокна, дозволяють знизити вагу на 300 кг на один літак, що безпосередньо зменшує споживання палива на 8–10%; у галузі автомобілебудування використання цього матеріалу для корпусів гоночних автомобілів забезпечує зниження ваги на 55% порівняно з алюмінієвими корпусами, водночас збільшуючи ударну в’язкість на 40%; у сфері спортивного інвентарю кийки для гольфу, виготовлені з 1К препрегу на основі арамідного волокна, зменшують вагу на 25%, збільшують швидкість замаху на 10% та дальність удару — на 15 ярдів. Крім того, механічні властивості матеріалу добре збалансовані: модуль пружності при згині досягає 80–110 ГПа. Він не схильний до деформації після тривалого використання і підходить для різноманітних несучих конструкцій.

3. Адаптація до навколишнього середовища та довговічність у всіх сценаріях

Препрег із арамідного волокна має стійкість до навколишнього середовища значно вищу, ніж у традиційних матеріалів, що робить його надійним вибором для складних умов експлуатації. З приводу стійкості до корозії, мета-арамідний препрег може мати термін служби понад 15 років у середовищах із сильною кислотністю, лужністю, сольовим туманом тощо. У галузі морських суден захисний шар корпусу, виготовлений із цього матеріалу, здатний витримувати ерозію морської води та подовжувати цикл обслуговування втричі порівняно з оцинкованими сталевими плитами; з приводу стійкості до погодних умов, продукти, що містять компоненти, стійкі до ультрафіолетового випромінювання, мають коефіцієнт збереження кольору понад 90% після 5 років перебування на відкритому повітрі, не тріскаючись і не ошаровуючись; з приводу термостійкості, вироби для високих температур можуть короткочасно використовуватися при 350 °C і довгостроково — при 250 °C, стабільно працюючи в умовах високих температур, таких як промислові печі та авіаційні двигуни; з приводу втомної міцності, при динамічних навантаженнях коефіцієнт збереження втомної міцності досягає понад 90%, що на 12 процентних пунктив вище за середній показник галузі. Після використання цього матеріалу термін служби лопатей вітрових турбін може бути подовжено до понад 25 років.

4. Високий рівень гнучкості в налаштуванні

Препрег з арамідного волокна дозволяє повністю налаштовувати розмірні параметри, точно відповідаючи індивідуальним потребам різних галузей. Система смоли може бути адаптована залежно від сценарію застосування, наприклад, термостійка поліімідна смола для авіації та швидкозатвердіваюча епоксидна смола для автомобілів; точність контролю вмісту смоли досягає ±0,5%, забезпечуючи стабільність характеристик продукту; типи волокон можна вибирати за потребою, передбачено гнучке поєднання пара-, мета- чи співарамідних волокон; ширина підтримує індивідуальне виготовлення від 0,3 м до 2,0 м, а для великих суднових корпусів можуть використовуватися матеріали шириною 2,0 м, що зменшує кількість з'єднувальних швів понад 60%; функціональні властивості можна комбінувати та накопичувати, наприклад, «вогнетривкий + антистатичний», «висока термостійкість + стійкість до корозії» тощо. Наприклад, препрег з арамідного волокна з комплексними функціями, який використовується у засобах захисту для підземних гірничих робіт у вугільних шахтах, не лише відповідає вимогам до вогнестійкості UL94 V0, але й має антистатичні властивості та забезпечує стійкість до ударних навантажень.

5. Відмінна адаптація процесу та ефективність формування

Препрег із арамідного волокна сумісний із основними процесами формування композитних матеріалів, такими як гаряче пресування в формах, компресійне формування, вакуумні мішки та намотування, і підходить для різноманітних потреб — від індивідуального виготовлення окремих деталей до масового виробництва. Процес компресійного формування підходить для стандартизованих компонентів, таких як кришки батарейних блоків і бронепробки. Час виробництва в одному циклі може бути обмежений 15–30 хвилинами, а похибка точності розмірів становить ≤±0,2 мм. Формування гарячим пресуванням підходить для високоякісних виробів аерокосмічної галузі, а рівень внутрішніх дефектів продукту становить менше 0,3 % завдяки контролю тиску в діапазоні 0,8–1,2 МПа та температурному режиму 120–200 °C; формування намотуванням підходить для циліндричних деталей, таких як трубопроводи та посудини під тиском. Орієнтоване розташування арамідних волокон дозволяє досягти співвідношення міцності за віссю та у circumferential напрямку 4:1, що відповідає вимогам транспортування під високим тиском. Крім того, напівпропитаний стан легко нарізається та укладається, а рівень відходів становить лише 3–5 %, що значно нижче, ніж 15–20 % при традиційному вологому формуванні, що суттєво зменшує втрати матеріалу.

6. Переваги у вартості протягом усього життєвого циклу

Хоча початкова вартість закупівлі препрегу з арамідного волокна вища, ніж у традиційних матеріалів, його перевага в повному життєвому циклі є суттєвою. У галузі оборони та військової промисловості його легкі характеристики можуть знизити витрати на транспортування обладнання на 40% і підвищити мобільність техніки; У сфері нових джерел енергії використання цього матеріалу для захисту акумуляторів збільшило рівень проходження тестів безпеки на 80%, запобігаючи величезним втратам через аварії; У промисловому обладнанні його стійкість до корозії може подовжити термін експлуатації обладнання між ремонтами з 1 року до 5 років, знижуючи витрати на обслуговування на 70%; У авіаційно-космічній галузі зменшення ваги одного літака на 300 кг може економити приблизно 1,2 млн юанів щороку на паливі. Можливість переробки термопластичних продуктів додатково знижує вартість сировини, при цьому показник збереження властивостей перероблених матеріалів становить понад 75%, і їх можна використовувати для виготовлення вторинних конструкційних елементів.

Технологічна перевага: точний контроль і підвищення вартості від сировини до готового продукту

Перевага препрегу з арамідного волокна полягає в його точному технологічному процесі та повному контролі якості на всіх етапах. Його технологічна система забезпечує не лише узгодженість продукту, але й оптимальний баланс між продуктивністю та вартістю, стаючи основою конкурентоспроможності продукту.

1. Основний виробничий процес: подвійне забезпечення методом гарячого розплаву та методом розчинного просочування

У галузі домінують два основних процеси просочування, які можна гнучко вибирати залежно від позиціонування продукту та вимог до якості, щоб забезпечити стабільність характеристик препрегу з арамідного волокна:

• Процес гарячого пресування: Нагрійте смолу до 90-130 ℃, щоб знизити в'язкість, рівномірно нанесіть смолу на поверхню арамідних волокон за допомогою прецизійних гарячих пресувальних валів, а потім швидко охолодіть до кімнатної температури через охолоджувальні валки для завершення напівотвердіння та формування. Основна перевага цього процесу — відсутність залишків розчинника, точний контроль вмісту смоли з точністю до ±0,5% і висока узгодженість розташування волокон, що робить його особливо придатним для виробництва високоякісних препрегів з арамідних волокон для авіаційно-космічної галузі. Препреги серії Kevlar від DuPont® всі використовують цей процес, де тиск (0,6–1,0 МПа) і швидкість (4–8 м/хв) гарячих пресувальних валів контролюються за допомогою комп'ютера, забезпечуючи похибку розподілу смоли менше ніж 0,3% на квадратний метр продукту.
  
• Процес просочування розчином: Смола розчиняється в органічних розчинниках, таких як ацетон і ксилол, утворюючи розчин з низькою в'язкістю. Після того, як арамідні волокна повністю просочуються смолою в ємності для пропитування, розчинник випаровується через багатоступеневий канал сушіння гарячим повітрям (градієнт температур 60–130 °C), і нарешті формується напівзатверділий стан. Обладнання для цього процесу має низьку вартість інвестицій та високу продуктивність (швидкість лінії 12–18 м/хв), що робить його придатним для масового виробництва універсальних заготовок з арамідних волокон. Щоб вирішити проблему залишкових розчинників, у галузі широко застосовують технологію видалення з вакуумною допомогою та сушіння в захищеному азотному середовищі, що знижує вміст залишкових розчинників до менш ніж 0,08% і запобігає утворенню бульбашок та дефектів розшарування після затвердіння продукту.
  

2. Ключові точки контролю процесу: п’ять основних процесів, що визначають експлуатаційні характеристики

Стабільність якості препрегу з арамідного волокна забезпечується завдяки точному контролю всього процесу виробництва, де п’ять ключових етапів безпосередньо визначають остаточні характеристики продукту:

• Обробка поверхні арамідного волокна: Поверхня арамідного волокна є гладенькою і має слабку адгезію до смоли. Її необхідно обробити плазмовим оксидуванням або нанесенням зв'язуючого агента для збільшення кількості активних груп на поверхні волокна. Після обробки міжфазна зчеплювальна міцність між волокном і смолою зростає більше ніж на 45%, що ефективно вирішує проблеми розшарування та відшарування, які часто виникають у традиційних продуктах. Після такої обробки ударна міцність препрегу на основі пара-арамідного волокна може бути покращена на 30%.
  
• Точна модуляція смоляної формули: Згідно з функціональними вимогами до продукту, смолу, отверджувач, добавки та інші компоненти точно дозують у потрібних пропорціях. Наприклад, для вогнестійких продуктів необхідно додавати 18%–25% фосфорно-азотних антипиренів разом із 0,8% антикрапельних агентів; для термостійких продуктів потрібно відрегулювати співвідношення поліімідної смоли та отверджувача, щоб забезпечити щільність схрещення; у антистатичні продукти слід рівномірно розподілити 5%–8% вуглецевих нанотрубок, щоб уникнути неоднорідної електропровідності. Формулювання складу здійснюється за допомогою повністю автоматизованої системи змішування та ультразвукового диспергування, похибка контролюється в межах ±0,1%.
  
• Динамічний контроль параметрів просочення: Оптимізація швидкості, температури та тиску пропитування в реальному часі залежно від лінійної густини арамідних волокон і в'язкості смоли. Наприклад, швидкість занурення продуктів із пучками ниток 100D контролюється на рівні 6-8 м/хв, а тиск знижується до 0,5 МПа, щоб уникнути обриву волокон; для пучків грубих волокон 1000D швидкість можна збільшити до 15 м/хв, а тиск — до 0,9 МПа, забезпечуючи повне проникнення смоли всередину волокон.
  
• Точний контроль напівстадії полімеризації (B-stage): Шляхом регулювання температури та часу сушіння ступінь затвердіння смоли підтримується на напівзатверділому рівні 35–45%, що забезпечує певну в’язкість продукту для легкого формування шарів і запобігає передчасному повному затвердінню. Ступінь затвердіння постійно контролюється методами диференційно-скануючої калориметрії (DSC) та динамічного механічного аналізу (DMA) з похибкою менше 2%.
  
• Сувора перевірка якості готової продукції: Кожна партія продуктів повинна пройти кілька тестів, включаючи вміст смоли (точність ± 0,1%), поверхневу щільність волокна (± 1 г/м²), міцність на розтяг, ударну в'язкість, вогнестійкість тощо. Система комп'ютерного зору використовується для виявлення рівномірності розташування волокон і цілісності малюнків, з частотою виявлення дефектів 99,9%, забезпечуючи тим самим, що непридатна продукція не потрапить на ринок.
  

3. Тенденція інновацій у технологічних процесах: три основні напрямки для просування оновлення категорії

Галузь продовжує покращувати експлуатаційні характеристики та співвідношення ціни та якості препрегу з арамідного волокна шляхом інновацій у технологічних процесах, три основні напрямки інновацій очолюють розвиток категорії:

• Оновлення автоматизованої виробничої лінії: Застосування промислових роботів та системи візуального інспектування на основі штучного інтелекту для забезпечення повної автоматизації процесу — від розгортання арамідного волокна, просочення, вулканізації до намотування та різання — дозволяє підвищити ефективність виробництва більше ніж на 60% і знизити похибку узгодженості продукту до ±0,2%. Наприклад, автоматизована виробнича лінія провідного підприємства здатна досягти добового випуску 4000 квадратних метрів на лінію, що в чотири рази перевищує показники традиційних ручних виробничих ліній.
  
• Прорив у технології багатовісного шарування: Розроблено багатовіську виробничу лінію для преформ арамідного волокна, яка одночасно забезпечує синхронне просочення та шарування волокон у напрямках 0°, 90°, ±45° та інших кутах, скорочуючи подальші операції шарування продукту та підвищуючи ефективність виробництва на 45%. Ця технологія особливо підходить для виготовлення великих компонентів, таких як лопаті вітрових турбін або корпуси суден, а також покращує загальні механічні властивості продуктів.
  
• Дослідження та застосування екологічних процесів: Сприяння безрозчинниковому процесу просочення та використанню біополімерних смол (наприклад, епоксидних смол на основі касторового олії), зменшення залежності від нафтових сировини та скорочення викидів ЛОС більш ніж на 90%; розробка технології хімічного деполімеризації та переробки термореактивних матеріалів для підвищення рівня відновлення арамідних волокон понад 80%, що відповідає тенденції екологічного виробництва та кругової економіки.