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科技專案成果

輕如塑膠 強如鋼板 高端熱塑複合材料應用夯
發佈日期:2023-10-27
單位:財團法人塑膠工業技術發展中心
案例年度:2022
簡介:
在經濟部技術司科技專案支持下,塑膠中心聚焦高端碳纖維與熱塑複合材料關鍵技術研發及擴散產業應用,以協助國內複合材料產業創造新興價值鏈。

特色:

塑膠中心 ▶ 開發高端熱塑碳纖維複合材料技術

* 技術特色 
碳纖維表面改質技術,讓碳纖維複材接著強度提升2倍,亦可承受400度高溫加工;另高階熱塑性碳纖維創新製程,提升複材含浸性,設備能耗更降低40%。

* 產業擴散  
整合國內碳纖維領導業者與化學品大廠,建構高階碳纖維供應鏈,實現國產自主研發,更促成化學品大廠成為國際少數可供應尖端複材(PAEK)的業者。

面臨全球淨零排放及永續發展倡議下,低耗能、資源循環成為複合材料重要趨勢,先進國家均競相將技術核心轉往可回收再應用的熱塑性複合材料發展,其循環利用、可塑性高的優勢,近年更被廣泛應用在航太、電動車等各領域。過往我國複合材料產業以開發熱固碳纖複材為主,但熱固複材無法回收再利用的特性,亟待升級轉型。在經濟部技術司科技專案支持下,塑膠中心聚焦高端碳纖維與熱塑複合材料關鍵技術研發及擴散產業應用,以協助國內複合材料產業創造新興價值鏈。

突破國外專利 自建核心技術

碳纖維是複合材料的上游原料,本身不具黏性,如直接與熱塑高分子界面接著,強度則不佳,須先進行表面處理。塑膠中心首先開發高溫碳纖維表面漿液(Sizing),猶如為碳纖維表面裹上一層膠,同時能讓碳纖維與熱塑高分子之界面接著強度提升2倍以上,並具有高耐熱性,使熱塑複合材料在400度高溫加工狀態下而不會碳化破壞,更適用於開發高階產品。

另要克服的是熱塑高分子黏度高、含浸不佳的問題,塑膠中心張修誠博士形容,「熱塑高分子黏度非常高,就像蜂蜜般黏稠,要滲入碳纖維間的孔隙十分困難。」當複合材料沒有均勻混和,結構強度就會不足。現行國外採用的薄膜含浸,專利布局綿密,於是塑膠中心開發創新的粉末流動化調控製程,不僅突破國外專利壁壘,透過精準控制粉末的平均分布,提高熱塑材料的含浸性,也克服碳纖維紗束不易展紗的技術問題,讓熱塑碳纖複合材料強度可以直逼鋼板,更加輕、薄、強。相對國外採用的薄膜含浸技術,本技術不僅減少生產成本50%,降低設備能耗40%,具備節能省電效益。
 

塑膠中心發展創新高階熱塑碳纖維預浸材製程,複合材料含浸性由85%提升至96%。

▲ 塑膠中心發展創新高階熱塑碳纖維預浸材製程,複合材料含浸性由85%提升至96%。
 

塑膠中心協助國內上游碳纖維領導業者投入高階碳纖維開發,強度達T800等級,滿足國內高階碳纖維技術缺口。

▲ 塑膠中心協助國內上游碳纖維領導業者投入高階碳纖維開發,強度達T800等級,滿足國內高階碳纖維技術缺口。
 

整合供應鏈 促成複材產業升級轉型

2022年塑膠中心將高階碳纖表面改質技術移轉我國碳纖維領導業者 ,雙方合作開發高溫表面漿液碳纖維砂束研發,碳纖維強度高達T800等級,帶動廠商投資新臺幣6,000萬元,擺脫仰賴國外進口,更讓國內碳纖維產業足以發展輕量化、強度高、可重複回收使用的高階產品。

塑膠中心也同步導入創新粉末流動化調控製程,協助化學品大廠建立國內第一條聚芳醚酮系(PAEK)連續碳纖複合材料試量產線,進而衍生投資1.5億元、創造產值2億元,不僅擺脫對國外材料的依賴,使其成為日本Toray、比利時Solvary外,全球少數有能力供應尖端熱塑複合材料之廠商。

塑膠中心更整合上游碳纖維領導業者之高階碳纖維能量導入至化學品大廠產線,一步步建立高階熱塑碳纖複合材料的新興供應鏈,實現國產自主供應。張修誠表示,將持續推動高階熱塑複合材料應用,透過串聯上、中、下游產業整合形成生態系,並拓展出海口應用,預期廣及航太、電動車、風機葉片、國防軍備等高端產品,未來商機潛力無窮。
 


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