為什么采用熱塑性復(fù)合材料（TPCs）的速度比預(yù)期的要慢，誰(shuí)最有能力加速它的使用？
雖然許多人一直在討論并倡導(dǎo)熱塑性復(fù)合材料（TPCs）作為下一個(gè)材料技術(shù)突破，TPC具有高容量、輕量化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用也已經(jīng)超過十年了，但市場(chǎng)滲透率尚未達(dá)到之前的預(yù)期。為什么TPCs的采用速度慢于預(yù)期，誰(shuí)最有可能加速它的使用？
朗盛用于輕量化汽車工程的Tepex 連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑復(fù)合材料
到2022年，TPC全球市場(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)到近420億美元，包括塞拉尼斯（Celanese）、巴斯夫（BASF）、索爾維（Solvay）、朗盛（Lanxess）、帝斯曼（DSM）、普立萬(wàn)（PolyOne）和RTP在內(nèi)的領(lǐng)先材料市場(chǎng)參與者，將為廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用提供大量樹脂選擇和產(chǎn)品形式。
TPC材料的好處清單
TPC材料的好處清單當(dāng)然非常引人注目。熱塑性復(fù)合材料可在熔融狀態(tài)下可成為無定形狀的制品，并可再加熱熔融而制成另一種形狀的制品，還可重復(fù)多次再生使用而其物理機(jī)械性能不發(fā)生顯著的變化。另外，它可一次性制成形狀十分復(fù)雜而尺寸十分精密的制品，生產(chǎn)周期僅需數(shù)分鐘。由于熱塑性塑料經(jīng)過增強(qiáng)后，性能大為提高，有些機(jī)械性能已跨進(jìn)了金屬?gòu)?qiáng)度的范圍，從而大大擴(kuò)展了復(fù)合材料的使用范圍，可以代替金屬和木材。
對(duì)飛行器而言，它們能帶來數(shù)倍于其競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手熱固性塑料的出眾的抗沖擊性，具有防火、低煙、無毒的特性，耐受大多數(shù)航空流體，以及制造前在材料倉(cāng)庫(kù)中的無限儲(chǔ)存期。由于可熔融加工，它們能采用熱成型，之后也可在新應(yīng)用中再成型。它們可采用熔接制造具有高度完整性的連接口，避免因采用緊固件而增加重量又耗費(fèi)成本。在其使用期結(jié)束時(shí)，它們還可回收。其生產(chǎn)工藝通常都比較快，一般無需采用熱壓罐固化。生產(chǎn)過程中的揮發(fā)性有機(jī)物排放也根本不成問題。還可以采用纖維自動(dòng)鋪放設(shè)備及其他自動(dòng)化設(shè)備。這類復(fù)合材料適用于高度集成結(jié)構(gòu)，這一特點(diǎn)加上其重量輕的特質(zhì)，使之在最小化結(jié)構(gòu)件數(shù)量方面與熱固性材料一樣富有價(jià)值。
汽車行業(yè)非常重視生產(chǎn)周期，比起領(lǐng)先的商業(yè)飛機(jī)制造商每月力爭(zhēng)生產(chǎn)10到12 架飛機(jī)，這個(gè)行業(yè)每天都要生產(chǎn)成百上千的汽車。的確，熱塑性復(fù)合材料可以在僅僅幾分鐘的生產(chǎn)周期內(nèi)加工完成，僅是熱固性塑料部件所需固化時(shí)間的一小部分。與在航空領(lǐng)域中一樣，這種材料的減重能力非常關(guān)鍵，尤其是在電動(dòng)及混合動(dòng)力汽車上。對(duì)于汽車制造商來說，另一個(gè)巨大的好處是，熱塑性塑料能幫助他們迎合生命周期結(jié)束后的回收指標(biāo)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)國(guó)際的監(jiān)管部門都已強(qiáng)制執(zhí)行。
原料和中間成本的比較是復(fù)雜的，考慮到大宗商品TP樹脂（例如聚酰胺、聚丙烯）和更高性能的工程基質(zhì)（聚芳酮，如PEEK、PEKK和PAEK）之間的巨大價(jià)格差異，以及TPC中間供應(yīng)鏈的不同成熟度階段。因此，TPC的一些更明確的成本優(yōu)勢(shì)涉及重新設(shè)計(jì)以前金屬部件的選項(xiàng)，從而簡(jiǎn)化制造或裝配的后續(xù)步驟。
那么，是什么阻礙了它們停滯不前呢？從最高層次看，增加使用熱塑性塑料的主要障礙包括一套不那么廣泛接受的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以及對(duì)材料性能和整體技術(shù)的熟悉程度，遠(yuǎn)不及其表兄弟熱固性產(chǎn)品。在一些高性能的TPC應(yīng)用程序中，我們還沒有完全穩(wěn)定和足夠一致的原材料來維持公差，并且與熱固性塑料所見的空隙含量百分比相匹配。熱塑性塑料通常需要160-300℃的熔體溫度和高壓來浸漬增強(qiáng)纖維或注塑模具部件。所需的復(fù)雜且通常昂貴的工具和機(jī)器與用于傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料成型的非常不同。
推動(dòng)TPC應(yīng)用的兩種途徑
我們認(rèn)為，在過去的20年里，對(duì)技術(shù)開發(fā)的投資一直偏向于熱固性材料。但是現(xiàn)在，由于航空結(jié)構(gòu)和汽車市場(chǎng)都在尋找熱塑性塑料以減少循環(huán)時(shí)間，并從高壓釜中生產(chǎn)出更容易回收的復(fù)合材料，人們正在重新評(píng)估這一問題。我們假設(shè)，仍處于起步階段的TPC行業(yè)可以在兩個(gè)不同的行業(yè)部門的幫助下克服這些障礙，實(shí)現(xiàn)其預(yù)測(cè)潛力，以兩種截然不同的方式來解決這個(gè)問題。
鋼骨架熱塑性復(fù)合材料管
方法1：TPCs為復(fù)合材料帶來工業(yè)規(guī)模。第一個(gè)領(lǐng)域是由大型工業(yè)化學(xué)解決方案提供商所主導(dǎo)，那些具有熱塑性能力的企業(yè)，通常在規(guī)模上至少比他們?cè)跓峁绦詮?fù)合材料領(lǐng)域的同行要至少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。我們看到這些化學(xué)巨頭，他們有著深厚的樹脂和聚合物的專業(yè)知識(shí)，加上熱塑性材料行業(yè)的成熟度，它們有著良好的地位和推動(dòng)力，從而促進(jìn)TPC行業(yè)的轉(zhuǎn)型。
對(duì)于像塞拉尼斯Celanese和索爾維Solvay這樣的大型企業(yè)來說，復(fù)合材料的吸引力在于提高利潤(rùn)率，并利用大批量應(yīng)用的機(jī)會(huì)，比如作為汽車中的金屬替代品。新的復(fù)合材料和應(yīng)用的開發(fā)也為進(jìn)一步區(qū)分他們的產(chǎn)品提供了空間。
我們預(yù)計(jì)在這種情況下，看到的熱塑性塑料轉(zhuǎn)換方法將包括：通過整合大規(guī)模制造技術(shù)將目標(biāo)產(chǎn)品成本降低；通過在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料和復(fù)合材料生產(chǎn)來進(jìn)一步鞏固供應(yīng)鏈；并利用現(xiàn)有的與原始設(shè)備制造商的強(qiáng)大關(guān)系。也會(huì)出現(xiàn)重大的并購(gòu)活動(dòng)。在最近的交易中，我們已經(jīng)看到了這種趨勢(shì)的證據(jù)：索爾維收購(gòu)了Cytec，擴(kuò)大了其產(chǎn)品組合，并提升了其在航空和汽車市場(chǎng)的活動(dòng)能力。Celanese還在2017年收購(gòu)Omni Plastics和Nilit Plastics，為該產(chǎn)品組合增加了額外的復(fù)合能力和材料技術(shù)。
方法二：用TPCs擴(kuò)展復(fù)合材料的覆蓋范圍。熱固性復(fù)合材料成型行業(yè)的結(jié)構(gòu)比工業(yè)TPCs的結(jié)構(gòu)更為分散，與TPC行業(yè)整體相比，其規(guī)模較小，一體化程度也較低。隨著輕量化技術(shù)變得更加成熟，預(yù)計(jì)將繼續(xù)以令人印象深刻的增長(zhǎng)率(5年CAGR估計(jì)為6-7%)，這些應(yīng)用的利潤(rùn)率也更高，而這些應(yīng)用的規(guī)模仍然小于熱塑性塑料。
市場(chǎng)上熱塑性塑料和熱固性塑料市場(chǎng)的區(qū)別在于，后者對(duì)纖維增強(qiáng)有更多的經(jīng)驗(yàn)，并使用更復(fù)雜的多組分樹脂體系。
對(duì)于熱固性復(fù)合材料的供應(yīng)商來說，將其擴(kuò)展到TPCs是增加產(chǎn)量的機(jī)會(huì)，也有可能進(jìn)入熱固性復(fù)合材料不太完善的市場(chǎng)，因?yàn)樗鼈兊难h(huán)周期太慢，成本過高或可回收性是先決條件。比如，帝人（Teijin）和TenCate。這兩家公司都擁有強(qiáng)大的紡織能力，它們無疑加快了TPC的發(fā)展步伐，并在最近的行動(dòng)中展示了我們之前提到的TPC方法的關(guān)鍵方面。
TenCate的熱塑性產(chǎn)品的范圍現(xiàn)在幾乎反映了其熱固性產(chǎn)品的范圍：UD帶和預(yù)浸料、增強(qiáng)層壓板和大體積模塑化合物，可提供一系列主要性能更高的熱塑性基質(zhì)。這是中小型系列材料性能的重點(diǎn)，例如航空航天前沿、地板、支架和蓋板等，我們期望從這種方法中看到。TenCate還正式確定了其行業(yè)和研究合作，通過合作伙伴加強(qiáng)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展，例如熱塑性復(fù)合材料研究中心（TPRC）的一級(jí)成員和其他歐洲財(cái)團(tuán)和集群，如熱塑性可負(fù)擔(dān)一級(jí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)（TAPAS）和歐洲熱塑性汽車復(fù)合材料協(xié)會(huì)（eTAC）。
帝人（Teijin）公司開發(fā)了用自己的碳纖維加固的TPC材料，并為低于60秒的汽車零部件提供高速加工技術(shù)。它還增加了零件生產(chǎn)能力和專業(yè)知識(shí)，收購(gòu)了模塑商Continental Structural Plastics，并在歐洲推出了再生碳纖維增強(qiáng)熱塑性材料。
最終，我們預(yù)測(cè)這兩種方法的各個(gè)方面將在接下來的五年時(shí)間里顯現(xiàn)出來，對(duì)整個(gè)價(jià)值鏈的深入理解是這一復(fù)雜掛毯成功的關(guān)鍵。最大的熱塑性塑料玩家被放置的很好，而且顯然非常熱衷于部署他們的發(fā)展和財(cái)務(wù)火力。最近的熱塑性汽車項(xiàng)目，如賓利Bentayga和奧迪Q7 SUV的底盤引擎護(hù)罩、燃料箱和中心隧道的封面，均由LANXESS Tepex TPCs品牌生產(chǎn)。這些都是熱塑性技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者參與真正的工業(yè)規(guī)模復(fù)合材料應(yīng)用的例子，這些應(yīng)用很難與熱固性復(fù)合材料相匹配。因此，我們看到化學(xué)材料巨頭最有可能實(shí)現(xiàn)最大規(guī)模的應(yīng)用。
復(fù)合材料制造專家專注于高性能的TP材料，并采用下游的收購(gòu)策略，以促進(jìn)其知識(shí)與技術(shù)的快速應(yīng)用，尤其適合于在諸如航空航天或醫(yī)療等更多利基應(yīng)用中的發(fā)展。我們也期待在此看到并購(gòu)活動(dòng)，因?yàn)檫@些技術(shù)領(lǐng)先企業(yè)是主要熱塑性塑料制造商，他們希望將熱固性和熱塑性復(fù)合材料專業(yè)知識(shí)整合到其運(yùn)營(yíng)中來，這是具有吸引力的目標(biāo)。
有種趨勢(shì)也開始慢慢呈現(xiàn)出來，就是在材料間競(jìng)爭(zhēng)日益激烈化時(shí)，熱塑性復(fù)合材料越來越多地被應(yīng)用在新產(chǎn)品上，這種趨勢(shì)將直接影響熱塑性復(fù)合材料的行業(yè)動(dòng)態(tài)。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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