拉挤成型的新亮点

拉挤制品卓越的可定制性和耐用性使其在形形色色的用途中获得了越来越多的需求。市场研究公司Markets & Markets预测，从2019年到2024年，全球拉挤制品市场的复合年增长率将达4%，价值达到34亿美元。

拉挤工艺起源于20世纪50年代初，用于制造具有恒定截面的FRP （纤维增强塑料）型材。70多年后，制造商和材料供应商正在探索变革这一工艺的方式。业界带头人于2021年4月13日至15日齐聚于美国复合材料制造者协会主办的拉挤会议，分享拉挤行业的最新突破。在会议之前，《复合材料制造》杂志提供了在拉挤制品应用、制造和材料方面的一些发展亮点。

应用亮点：风力发电机

拉挤材料的主要优点之一是它们在大跨度应用中的强度。这是拉挤材料成为知名风电机厂商Vestas集团专家Sascha Erbslöh称之为风电机结构件“首选材料”的原因之一，最显著的应用是作为转子叶片骨架的主梁帽。

Erbslöh说，拉挤的碳纤维增强塑料主梁帽本质上比那些利用更早的敞模湿铺工艺制造的产品更有效。他说：“主要的优点是，所有的纤维都位于正确的方向。”“从理论上讲，使用敞模工艺，你也可以铺放若干单向纤维层，但如果你浸渍所有这些纤维，总有可能产生皱纹。如果使用拉挤成型，几乎可以完全避免这种现象。”

Erbslöh预计，随着风能市场的持续增长，对拉挤成型技术的需求将显著增加。美国能源部预计，美国风电将从2020年的113.43 GW增加到2030年的224.07 GW和2050年的404.25 GW。

图1 风力发电机叶片（来源：Composites Manufacturing）

这种增长需要另一个关键特征：快速制造的可重复性。这是拉挤成型的另一个明显优点。Erbslöh说：“你可以用一种非常可控的方式用预先制造的零部件来组装。对于最关键的部分，这是非常有 利的。”

能源部的报告补充说，转子直径的增加对提高涡轮效率发挥了重要作用。拉挤成型是制造下一代更大、更高效海上风电机转子的关键技术。

此外，Erbslöh说，制造商正在关注如何提高碳纤维增强塑料制件的防雷击性能。虽然碳纤维增强塑料制件结构性能很好，但它们在防雷击方面却遇到挑战。“最好使用全玻璃纤维和非导电材料。”他说：“这无疑需要详细的工程设计和高保真度、多物理学模拟，才能建立一个良好的防雷击系统，而要确保这一点，还需要做大量的工作。”

制造亮点：辅以压缩流动成型工艺

耐用性是拉挤制品的主要优点，也是吸引风电制造商的原因之一。但说到耐用性，也许没有什么用途比医用植入物更重视耐用性了，因为植入物必须能维持终生。

瑞士连续纤维增强热塑性塑料（CFRTP）材料供应商Suprem公司一直在推动制造技术的进步，以支持由CFRTP制成更耐用的医疗产品。拉挤工艺是制造抗断裂棒材的第一步。

Suprem与其姊妹公司icotec公司密切合作，开发用于icotec压缩流动成型（CFM）工艺的碳纤维增强聚醚醚酮（PEEK）棒。拉挤成型的碳纤维增强聚醚醚酮棒材被CFM重新成型为小于1.27 cm的医疗植入物、结构轴承和紧固件等。

热塑性塑料似乎是这一独特挑战的理想答案，因为它们能够提供关键的断裂韧性、刚性和必须适于体内使用的耐热、耐湿和耐腐蚀性。这很有可能结束金属植入物长期以来容易受到腐蚀的现象。例如，人工髋关节的腐蚀与金属中毒有关，金属中毒会导致骨组织死亡和植入物失效。

然而，拉挤热塑性塑料面临着一些技术挑战，因为这些聚合物的粘度往往比热固性树脂高。例如，环氧树脂或乙烯基酯等材料的粘度较低，它们在不干扰纤维排列和不形成空隙的情况下更容易浸渍连续纤维。

Suprem公司开发了一种工艺，可拉挤高含量的均匀分布在高粘度热塑性塑料中的高性能纤维。Icotec公司的压缩流动成型工艺随后将拉挤出来的碳纤维/聚醚醚酮棒送入一个封闭的预热腔。然后，材料被轴向传送到模具中，并在压力下成型。

借助这两个工艺过程，脊柱螺钉和其他医疗紧固件可达到60%之高的纤维体积含量。相比之下，注塑件一般只含30%～40%的纤维。

图2 用于医学的连续纤维增强热塑性塑料拉挤棒材

材料亮点：先进玻璃纤维

虽然碳纤维已成为许多追求强度和刚度的复合材料制造商首选的增强材料，但制造商发现，先进的玻璃纤维也可以满足拉挤结构材料更高的强度要求。

欧文斯科宁公司的产品总监Patrick Haller指出，提高增强材料的性能会对制件的拉伸和弯曲模量和强度产生重大影响。虽然许多制造商专注于调整树脂以获得特定的性能，但关于玻璃纤维的制造方法、进入玻璃纤维的化学物质及其涂层的创新也有助于制造商获得更强的增强材料。

Haller称欧文斯科宁的高性能玻璃（HP玻璃）是继E玻璃和ECR玻璃之后，在玻璃纤维增强材料方面的第三步改进。他解释说：“真正的改进是力学性能，拉伸和弯曲方向的强度和模量比ECR玻璃高10%。耐腐蚀性也有所提高，特别是在耐碱性介质方面。”

更高性能的玻璃纤维在确保结构部件在更长跨度（如风力涡轮机叶片）上保持其刚度和强度方面作用明显。“许多拉挤制件本质上是结构性的。它们可以是类似工字钢、脚手架表面或者栏杆的物件。通过提高8%～12%的弹性模量，你既可以把制件做得更薄，也可以使制件的应用跨度更长，这可以减轻系统的重量，降低系统的成本，拓宽设计的灵活性，等等。”

除了提高产品强度外，纤维增强材料的变换也可以提高加工性能。Haller说：“我们的标准产品提供快速、均匀的原丝浸透效果，以减少树脂用量和提高成型速度。在更高性能的产品上使用同样的化学处理可提供同样的成型效果。此外，通过使用新产品和重新设计，可减少玻璃纤维的用量，加工商将花费更少的时间为新制品设定工艺过程或更换材料。”

提高性能只是拉挤产品的诸多优点之一。这里介绍的创新以及在2021年拉挤会议上展示的创新成果凸显了拉挤技术创造优质、复杂的FRP型材的能力，这些型材具有一致、可重复的力学性能。在这个不断增长的复合材料细分市场中的种种创新令人兴奋。