劉弘仁 / 工研院材化所
全球高分子複合材料市場正以每年近6%的速度成長，2023年已超過1,000美元，預計到2032年將會達到1,900億美元的規模，是個極具市場經濟價值及影響力的領域。先進材料技術學會(The Society for the Advancement of Material and Process Engineering; SAMPE)於日本地區總部—日本先進材料技術學會(SAMPE Japan)，於2024年重點展示先進材料及其加工技術，是世界上複合材料相關展會中極具重要性的場次。本文將針對此次展會，篩選與高分子複合材料發展動向趨勢之重點特色資訊做一簡明介紹，包括UD Prepreg纖維補強材料及回收碳纖維應用於複合材料等主題。
一、UD Prepreg單方向連續纖維補強熱塑複材預浸帶
近年國際塑膠大廠積極投入單方向連續纖維補強熱塑複材預浸帶的發展，UD prepreg性能優秀，具備疊層角度設計自由度，可針對特定受力方向或區域進行交疊補強，卻不會增加產品重量(或厚度)且機械性能卓越，有其發展價值利基點，在展會中有日本廠商有展出自身開發之UD Prepreg技術特色如下。
1. 三菱ガス化学株式会社 (Mitsubishi Gas)
日本三菱ガス化学株式会社展出自家Reny MXD6及其他樹脂製作之UD單方向碳纖維複材，根據用途選擇合適的碳纖維及樹脂，應用於需要快速固化、耐熱、高韌性等各種特性。本展會中三菱ガス展示的Reny Tape預浸帶，以碳排數據來看(圖二左)，製作一根バンパービーム(Bumper Beam)的整體碳排放量，鋁件為214.7 kgCO2e，若以PA6 Tape可以減至104.8 kgCO2e，而使用Reny Tape可低至84.4 kgCO2e。利用Reny Tape GF UD製作的Bumper Beam可以較傳統輕量化35~44%。另外Reny Tape的吸水率低，且在吸水後具有很好的機械特性保持率，透過85℃/85RH 100小時耐候測試，Reny Tape複材性能較PA6 Tape相比較優。Reny最主要的成分是……
圖二、Reny UD TAPE性能數據
2. フクビ化学工業株式会社 (FUKUVI)
フクビ化学工業株式会社揭露其薄層熱塑性UD預浸片材技術(圖七)，透過將纖維開纖，且由於其厚度較薄，可實現壓製成型時良好的含浸性和纖維分散性(圖八)，成型品的物理性能較高，並與各種基載樹脂相容，從通用樹脂到特殊工程塑料都可以，如PA6、PA9T、PA12、PPS、PEEK、PC、氟樹脂、PMMA、ABS等，規格為60 μm厚度，纖維體積含量35~60%，幅寬17 cm，以PA6薄層UD測試機械特性可達856MPa拉伸強度，45 GPa拉伸模量，フクビ宣稱能較其他公司未開纖之UD性能優越許多(572 MPa/39 GPa)……
圖八、薄層熱塑性UD的分散性
二、纖維補強材料
纖維增強塑料是一種輕量且高機械性能的材料。近年來，使用碳纖維(CF)和對纖維具有優異的含浸性和黏合性的熱固性樹脂之碳纖維增強塑膠(CFRP)已成為主流。CFRTP(碳纖維強化熱塑性塑膠)是以CF為增強材料，以熱塑性樹脂取代熱固性樹脂為基材的纖維增強塑膠。CFRP的成型製程和二次加工性與金屬加工有顯著差異，這一直限制其擴大應用領域。使用CFRTP，可以縮短成型製程、沖壓加工和熔接工藝，並實現生產率的顯著提高和低成本。 CFRTP的樹脂選擇豐富，且成品prepreg韌性強、易儲存，具備較好的熔接性(同一般熱塑性樹脂的熱焊接方式)，且可重熔和加工，對於環保議題當道的現在是個很好的開發方向。
1. Bond Laminates
Bond Laminates公司展出連續纖維熱可塑產品TEPAX®(圖十四)，TEPAX®是一種輕盈、高強度的CFRTP、GFRTP和天然纖維FRTP的複合板材，它由各種工程熱塑性塑膠基質中的連續或長纖維組成。連續纖維主要是織物、鑲嵌物或其他紡織半成品形式的玻璃和/或碳纖維，這種結構賦予扁平半成品極高的強度和剛度，同時重量極輕。基體材料為熱塑性塑料，例如聚丙烯、聚醯胺6、聚醯胺66、聚醯胺12、聚碳酸酯、熱塑性聚氨酯和聚苯硫醚。這些複合材料片材可以透過……
圖十四、TEPAX®纖維片
2. 古田化成 (FURUTA Kasei)
古田化成公司展出輕盈且耐腐蝕的CFRTP螺絲(圖十七)，材質為PEEK，故具有優異的耐熱性(約250℃)及良好的導電性，優異的耐腐蝕性和耐化學藥品性，機械性能較不含碳纖維的產品提升約50%。其特點是非常輕，大約是金屬重量的1/6，適合輕量化用途。當成型含碳纖維的複合材料時，強度的關鍵是成型製品內碳纖維的取向以及成型過程中防止碳纖維斷開，這些部分非常難以控制。古田化成透過進行流動分析，並設計成型含碳纖維複合材料的最佳模具，以及微細加工解決上述問題。透過 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十七、古田化成展示的CFRTP螺絲