循環熱塑性複材的輕量化應用
演講者:長興材料工業(股)公司 黃傳耿 博士
文稿整理:塑膠產業創新論壇(PIIF) 編輯小組
循環經濟與永續節能已成為全球潮流,包含交通與綠能等產業,皆開始追求產品的輕量化,進一步推動塑膠產業研發新材料以因應需求,為此長興公司推出一系列創新的熱塑複材產品。

長興材料發展熱塑複材,目前推動的主力產品有可射出的LFT材料、可運用於熱押及疉層的UD片材開發,以及熱塑性粒子、連續纖維布產品等產品。
■輕量化需求與可回收性

複合材料可提供高比強度
複合材料可提供高比強度,符合市場發展輕量化需求的產品。尤其應用交通載具,如腳踏車、汽車等零部件,對於車體的輕量化之實質貢獻,依據世界鋁業協會之分析,汽車整車重量降低10%,整體油效率可提高6-8%;參考大眾汽車分享的資料,亦可得知,汽車整車重量每減少100kg,每百公里的二氧化碳排放量可減少8-11kg,百公里油耗可降低0.3-0.51,故複合材料的使用,亦即過往我們所談的『以塑代鋼』的概念,得以實現交通運輸載具輕量化的實質意義。
國際法規要求日趨嚴格國內亦同
同時,綜觀國際減碳的趨勢,如歐盟亦明定規範,預定在2025年要求交通載具在每百公里僅能使用3L的燃料;美國則約限制在4.8L的燃料使用。

而台灣亦趨向追隨國際的趨勢,觀察台灣的CAFÉ法規要求(整廠平均油耗規範),2022年起要求各車商(車廠)販售新車的平均油耗要達到每公升20.4公里以上,亦趨向嚴苛的要求,因此在相關的法令、法規要求下,趨動整體產業的研發方向,包含輕量化複合材料的應用,因此提昇整體的動力效率是勢在必行的。
汽車輕量化材料的發
依據車身材料變化的產業發展趨勢統計可得知,於2010年車體金屬材料重量占比高約55%,但至2040年全車的熱塑複材使用預估可達15%,極具發展潛力。 (參考資料:工業材料雜誌391期-汽車輕量化材料發展趨勢)
談複材的可回收性
目前全球市場對於複材的需求逐年增加,且應用領域十分廣泛,從運動休球拍、自行車,到高端複材應用的航太、汽車、再生能源設備等。雖然過往產業以熱固複材應用為主,但目前發展中的熱塑複材因其可受熱再重新塑形,故具有可回收再利用之特性,另有成型時間較短,能減少製程能耗之優點,評估產品的生命週期的總生產成本熱塑材料能優於熱固,故熱塑複材整體而言,相當符合節能減碳趨勢訴求。
■熱塑複材介紹

談熱塑材料的發展優勢
在熱固與熱塑材料的性質簡易比較,過往20-30年前使用以熱固材料較為廣泛,主要是因為樹脂粉體的含浸性差異,熱固材料的樹脂於成形前趨近單體形式其黏度低,與纖維結合藉由化學反應硬化後形成的複合材料,而近十年來逐漸興起的熱塑複材,需要克服的特點為其〝含浸性〞,意即如何提高補強纖維與相對較高黏度的樹脂結合程度,則為熱塑複材發展的關鍵點。

當熱塑材料逐步興起,亦伴隨許多面向的優點產生,包含:材料的保存,加工性、以及總生產成本與可回收性等。

■材料的保存:使用熱塑材料成形的產品,在常溫中形態穩定,反觀熱固材料則因需考量材料的反應會持續發生,所以需要採用低溫的儲存環境,相對而言較為耗能。

■加工性:過去熱固複材因需考量材料的化學反應過程,並且製程仰賴較高度的人工與人力投入,速度上相對慢,致使加工成本上升;而熱塑性材料以相態的變為主,加熱融熔可塑易於產品加工塑形,生產週期相對較短。

■總生產成本:若不只有單看產品/半成品本身的售價,再進一步依兩者整體的生產加工時間、週期與人力投入進行評估,整體熱塑複材能相對塑固複材具有優勢。

■回收性:再考量到全球訴求節能減碳與循環經濟的風潮,過往熱固複材使用的回收方式,普遍以燃燒法去除樹脂材料取得纖維回收,較無法完整回收;而相對的,在熱塑複材的回收上,可藉由建立合適的回收系統,將熱塑材料熱融後,再經由二次加工,重新塑形為新的成品。

因此,參考全球複材的產量變化趨勢,在整體全球複材產量逐年成長之下,更可預估自2020年之後全球熱塑複材的生產量將成長超過熱固複材的產量。(參考資料:JEC Magazine 127A(2019))
談熱塑複材的種類-短纖材料與長纖材料
一般工程塑膠加纖維以短纖為主,長纖維增強熱塑性材料(Long Fiber Reinforced Thermo plastics,簡稱LFRT或LFT)是近幾年來發展迅速的一類,高性能複合材料使用長纖維增強材料做射出成型的製成品中,纖維的實質長度保持率較高;並且,LFT長纖維材料的粒子排列方向較具方向性,射出成形後的產品強度較佳。

舉例以腳踏車產品零部件,使用鋁合金材質的比強度尚不及使用長纖維熱塑複材的強度,因此,長興材料目前已有與腳踏車業者共同合作,開發長纖維材料運用於自行車零部件,以取代鋁合金材質之案例。
談LFT熱塑複合材料的發展潛力
以目前長興材料主推的『LFT長纖維複材』而言,LFT長纖複材的強度,可以補足過往常見的短纖維材料的不足,在發展快速的射出製程產品領域中極具發展潛力,可快速成型複雜結構並且強度相對較高的熱塑性產品;同時其產品開發的成本,又能優於使用連續纖維強化的複材(UD/編布);這個是長興材料預定希望與客戶端共同開發與創造的新產品優勢。
談UD tape的應用(連續纖維)
熱塑UD tape是公司預定新推出的產品,主要的特色在於熱塑形式採用乾式製程,以外加熱源產生接合的效果,搭配射出製程能產出各式產品,尤其本身是連續性纖維,因此強度是相對優異的,應用上可以補強產品的強度,或是結合新式的纏繞製程,能達到全方向性的強度補強產品,例如鋼瓶纏繞產品。

長興熱塑性複材應用,主訴求為採用熱塑纖維可以將複材達到輕量化,整體產業成長趨勢可期待,希望可以鏈結產業鏈的合作與整合,讓產品達到整體價值鏈的成本競爭力,目前公司已陸續研發系列產品,像是玻纖編織布預浸材、LFT碳纖粒子、碳纖UD預浸材等,大致產品的特色都是都能具備有低收縮、低吸濕與可接著的優點,期待透過協助下游應用業者能開發出更多具輕量化且符合永續價值的新產品。
November, 23 / 2022

塑膠產業創新論壇