輕薄強熱塑碳纖複材引領傳統樹脂/塑膠產業升級轉型

10 / 29 . 2020
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塑膠板材輕敲可發出金屬特有清脆的聲音,很難想像這是塑膠製品。這是在經濟部技術處科技專案支持下,由塑膠中心所開發的熱塑碳纖複材,其兼具塑膠的輕量及金屬的強度,可廣泛應用在航太、汽車、國防、消費性電子等產業,引領台灣傳統產業升級轉型切入高階產品應用,更重要的是當產品超過使用週期可回收再利用,不會造成環境汙染,符合全球循環經濟的綠色潮流。 

熱塑碳纖複材具備又輕又強、製程容易等優點,可用於3C產品上,如筆電外殼。

塑膠結合碳纖維,保持產品輕量特性並提高產品強度

樹脂/塑膠產業發展甚久,其產品最大的劣勢就是強度不足,且容易受到環境影響讓產品無法維持既有尺寸,難以應用於高強度及高精密需求之產業。現階段最常見的複合材料主要是將碳纖維導入熱固性塑膠進行結合,形成熱固性複合材料(Thermoset composites),不僅能維持樹脂/塑膠原有的輕量,又能強化產品強度,這就是複合材料獨有的特性。

近年來,全球節能減碳及綠色環保議題驅動下,新興熱塑性複合材料(Thermoplastic composites)成為產業發展主流,這是因為其擁有熱固性複合材料不具備之可回收再利用的特性。塑膠中心技術研究發展部專案主持人張修誠博士解釋,由於複合材料基體(Matrix)高分子特性不同,熱塑性複合材料基體分子屬於線性高分子(Linear polymer),加熱會軟化可重新塑型成為產品;而傳統熱固性複合材料基體高分子則為網狀高分子(Cross-linked polymer),加熱無法重新塑型進行二次使用,因此無法回收再利用。此外,熱塑性複合材料亦擁有成型週期短、韌性高、樹脂選擇性高、易於加工、無存放限制等優點,更重要的是,選用PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等高階工程塑膠作為複合材料的基體,可以使熱塑性複合材料可以在更高的温度下使用(>250℃),這是熱固性複合材料所不能達到的優勢,因此賦予熱塑性複材更廣大的空間應用在航太、汽車、電動車、風機葉片、消費性電子、國防軍備等高端產品。

改良材料及製程,解決含浸問題

國內樹脂/塑膠產業要升級轉型發展高品質之熱塑性複合材料,首先需要克服的是「熱塑高分子含浸不佳導致熱塑性複合材料強度不足」的技術問題。張修誠博士說明「熱固高分子未固化前就像水一樣,可以完全滲入碳纖維絲之間,填補空隙;而熱塑高分子加熱後像黏稠的蜂蜜,難以完全填補碳纖維絲之間的孔隙,最後熱塑性複合材料內部充滿微孔,強度就會不足」,這也是熱塑性複合材料強度低於熱固性複合材料的原因之一。

為克服熱塑性複材含浸問題,塑膠中心從 2017 年就開始投入高含浸熱塑碳纖複材研究,從單體角度出發,自主開發反應觸媒及起始劑,同時團隊改良製程,發展原位聚合RTM(Resin transfer molding)製程。張修誠博士指出熱塑高分子是由單體聚合後製製作而成,是一種長鏈段線性高分子,黏度非常高(就像蜂蜜一樣),要滲入碳纖維之間的孔隙就越困難,但如果是小的單體,黏度非常低(就像水一樣),容易滲入碳纖維之間填補孔隙。此製程首先把碳纖維布鋪設於模具內;其次將自主合成之反應觸媒及起始劑與單體依照一定比例於預拌槽攪拌混合後,並將混合液體注入模具內,此時由於混合液體尚未加熱進行聚合反應,其黏度低容易滲入碳纖維布填補孔隙;最後再將模具加熱,讓模具內混合液體進行聚合反應,待製程完成且模具冷卻後,熱塑高分子即可與碳纖維充分結合,成型為高品質複合材料產品。透過此製程方式能充分解決熱塑性複合材料含浸不良的技術問題,同時由於模具是依照產品形式設計,製程完成後即成型為產品,大幅度減少複材成型步驟,預計可節省40%的製程時間。

應用範圍廣,「臺灣複合材料產業實力驚人」

透過自主研發反應觸媒及起始劑系統搭配製程改良,目前塑膠中心研發的原位聚合RTM製程技術可與國外技術水平媲美。此外,塑膠中心突破國外專利封鎖,自主開發單方向熱塑預浸材技術,是目前除歐美日企業之外,唯一具備此技術之單位。相關技術已和國內塑膠及複合材料產業合作測試,未來產品將有機會大幅度應用於航太、汽車、電動車、風機葉片、消費性電子、國防軍備等高端產品。

張修誠博士指出臺灣複合材料產業鏈完整,其中以碳纖網球拍和高爾夫球桿最為知名,然而國內複合材料產業想要升級轉型切入高附加價值之熱塑性複材料領域,須先克服熱塑高分子含浸不良的技 術問題,若能克服此技術瓶頸,未來國內終端應用產業就能擺脫對國外材料的依賴,開發創新輕量化/綠色環保產品,藉此帶動臺灣上、中、下游產業全面升級轉型。

塑膠中心也開發碳纖維布的預浸材(右),適合應用在小物件製作上。