循環熱塑性碳纖複材開發及應用：材料世界網

張修誠 / 塑膠工業技術發展中心

全球熱塑複材市場商機龐大，預估2032年將可達到690億美元之規模。其中熱塑性碳纖複材具有高強度、輕量化、製造週期短、韌性高、樹脂選擇性高、可回收再利用等優點，能廣泛應用於航太國防、綠色能源以及太空科技產業，為世界各國重點發展之輕量化循環材料。本文將介紹國內外熱塑性碳纖複材發展趨勢，分析我國複材產業切入所衍生的產業瓶頸，並從中發展複合式展紗技術，開發高端單方向熱塑預浸材，期能為加速複材產業發展做出貢獻。

【內文精選】

市場趨勢以及發展瓶頸

全球循環經濟(Circular Economy)概念崛起，加上節能減碳趨勢帶動，各國皆將輕量化材料列為國家重點發展項目之一。根據歐盟之二氧化碳減量排放藍圖(如圖一所示)，其規定交通運輸工具需於2025年達到每公里之二氧化碳排放量約75克的目標，相較於2015年之二氧化碳排放量，幾乎呈現減半趨勢。由於車體輕量化可增進燃料使用效率與減少二氧化碳排放，因此全球交通運輸產業競相投入輕量化材料開發，以取代傳統鋼材，來減少能源損耗與降低汙染排放。

圖一、歐盟環保政策之二氧化碳減量排放藍圖與車輛內部各種材料所占比例

複合式碳纖維展紗技術建立

碳纖維展紗技術可將碳纖維紗束拓寬變薄，並提高熱塑材料含浸性。目前複材產業常用的展紗技術有機械展紗技術以及超音波展紗技術。機械展紗技術主要是通過控制機械桿的滾壓、上下震動與左右擺動的方式，提高張力讓纖維束拓寬變薄；其缺點是拓展寬度效果最多僅為12K碳纖維紗束直徑之2倍左右(~10 mm)，而且震動幅度以及震動頻率過大容易折斷碳纖維，造成斷紗情況發生。超音波展紗技術是將碳纖維紗束導入裝有溶液之超音波震盪的容器中，透過超音波震動溶液以及滾筒擠壓方式，讓碳纖維紗束達到拓寬變薄的效果；其缺點是當碳纖維拉出到液面外，在液體表面張力作用下，易使纖維重疊在一起，且在拉扯過程中容易造成纖維斷裂。

關鍵材料開發

根據不同樹脂材料特性，調整單方向熱塑預浸材製程設備參數，進行PP/CF、PA/CF、PC/CF單方向熱塑預浸材開發，待製程穩定後，進行收捲取樣及外觀品質分析。PP/CF、PA/CF、PC/CF單方向熱塑預浸材取樣長度皆為100 m，其寬度及厚度分別為17.0 cm × 0.13 mm、22.3 cm × 0.15 mm、23.7 cm × 0.14 mm，三種單方向熱塑預浸材樣品外觀皆達到業界對單方向預浸材產品外觀的要求(單方向預浸材合格標準為：GAP ≦1 mm、每條GAP長度≦100 cm、20 cm幅寬≦3條GAP)。值得一提的是，所生產之單方向熱塑預浸材寬度約與國外預浸材大廠T廠產品寬度(16.6 cm)相當，但是厚度表現卻更為優異，如PP/CF單方向熱塑預浸材(0.13 mm)厚度只有T廠之PP/CF單方向熱塑預浸材厚度(厚度為0.28 m，寬度為16.6 cm)的一半，而PA/CF單方向熱塑預浸材(0.15 mm)厚度亦略低於T廠之PA/CF單方向熱塑預浸材厚度(厚度為0.17 mm，寬度為16.6 cm)。透過樹脂含量(Resin Content; RC)分析，可得知PP/CF、PA/CF、PC/CF單方向熱塑預浸材之平均樹脂含量分別為40.77%、39.49%、39.28%，與國外T廠之PA/CF單方向預浸材之樹脂含量相當(RC~40%)。由此可知，此製程設備所製備之單方向熱塑預浸材，不僅外觀品質皆達到業界預浸材產品出貨所要求的高品質，甚至比國外T廠預浸材更具有薄型化的特性。

透過光學顯微鏡(Optical Microscopy;OM)與電子顯微鏡(Scanning Electron Microscopy; SEM)來觀察PP/CF、PA/CF、PC/CF單方向熱塑預浸材之樹脂與碳纖維之間含浸性及其界面接合的狀況，如圖九所示。由OM可以發現，三種預浸材內部碳纖維皆分散得十分均勻，證明單方向熱塑預浸材製程之複合式展紗裝置確實能將碳纖維紗束均勻地拓寬變薄；進一步可以得知，多束碳纖維紗束展現良好接合，並未有明顯接合線或裂縫發生。藉由SEM觀察，可發現三種預浸材展現薄型化特性，且內部每根碳纖維皆由樹脂完整包覆且均勻分散，無團聚的現象發生；而T廠之PA/CF單方向熱塑預浸材也展現高含浸性且厚度為~0.17 mm)，但是紗束有展不開導致團聚的現象，且截面有明顯裂縫，推估可能是急速冷卻而產生的。由SEM分析證實，PIDC所開發之複合式展紗裝置具有極佳之展紗效果，可讓預浸材具有薄型化的特性(PP/CF~0.14 mm、PA/CF~0.16 mm、PC/CF~0.16 mm)，更證明所開發之三種預浸材皆擁有極高之含浸性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。