由重量百分比高達50%的碳纖維和一系列熱塑性基體樹脂配製而成的注射級別配混料正在擴大熱塑性複合材料的應用範圍。
MCAM的一家客戶希望用複合材料取代金屬注射成型的鎂來生產一款高效能山地車的懸架部件，以減輕重量，避免與活性鹼土金屬有關的加工。基於該部件的複雜性以及所需的產量，只有注射成型才能滿足客戶對成本的要求。為此，MCAM 配製了一種30% 重量百分比的短切碳纖維增強PPS（KyronMAX S-8230），滿足了所有的力學效能要求，包括具有挑戰性的耐疲勞性，從而在此應用中成功地取代了鎂（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）
專為注射成型應用而配製的一系列短切碳纖維增強熱塑性塑膠（簡稱CFRTP）配混物，正在擴大熱塑性複合材料的應用範圍，能夠適應更多的部件尺寸和複雜形狀。有趣的是，從體育用品和汽車部件，到醫療裝置和航空部件，在越來越多的應用領域中，這些材料的效能已經超越了長纖維增強熱塑性（LFT）複合材料（採用玻纖或碳纖增強）和金屬材料。
成型商變成配混商
這些材料由日本三菱化學先進材料有限公司（簡稱MCAM）配製和銷售。過去十年來，MCAM合併了母公司以前收購的幾個獨立業務，包括：前瑞士Quadrant公司，這是一家玻纖氈熱塑性塑膠（GMT）、有機片材複合材料及熱塑性工程製品的生產商，以及曾經的美國Piper Plastics 公司，該公司從注射成型精密機械零件起家，後來將業務擴充套件到訂製CFRTP 配混料——首先滿足自用，然後為其他成型商供料。
大約在2012年，Piper Plastics 公司還是一家服務於航空、體育用品和娛樂裝置等客戶群體的中等規模的訂製化注射成型商，當時，該公司的領導層希望發展其零部件製造業務，但卻面臨著兩大挑戰：首先，該團隊在尋找各類配混料以使其覺得能讓該公司在有著更高效能要求的細分市場中具有競爭力方面遇到了麻煩；其次，該公司想要進入汽車市場，但沒有足夠的成型能力參與主要專案的競爭。
作為高效能複合箭弓的一部分，這個滾輪最初是由機加工的鋁製成。客戶想要轉變成使用複合材料，所以首先試用了50% 重量百分比的長玻纖增強 PA6/6，但這種材料在填充複雜形狀時遇到了困難，會引起部件的過早失效。為此，MCAM 配製了一種20%重量百分比的短切碳纖維增強PA6/6複合材料（KyronMAX S 2220），這種新材料不僅能夠在與成型之前LFT級別材料完全一樣的模具中成型，而且避免了部件失效，且成型部件的重量比採用LFT 材料的部件減輕了21%，比採用鋁的部件減輕了50%（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）
第一個問題透過集中研發各類基礎樹脂和纖維漿料技術而得到了解決，從而開發出一系列高效能、可注射成型的CFRTP配混料，商品名為KyronMAX。這些材料採用的基體樹脂如PA6/6、PPA、PEI、PPS、PEEK和PAEK等，增強材料為短切碳纖維。配製的這些配混料，不僅取代了短玻纖增強的和礦物填充的注射級別的材料，而且取代了LFT配混料（平均起始纖維長度13mm）甚至金屬，其中的大多數都提供了高耐熱性、廣泛的耐化學性、良好的力學效能以及低易燃、低煙霧和低毒性等優勢。
“在資料表上，LFT配混料看起來更強，但通常，它們無法填充我們可以用短切碳纖維技術填充的這類部分的形狀。”MCAM的複合材料大客戶經理Alex Wojtysiak解釋說，“由於我們的材料擁有很高的流動性，能更好地填充複雜的形狀，因此採用我們的配混料生產出的部件要堅固得多。”
“並不是說我們要著手去創造廣泛的CFRTP配混料，而是要使開發的每一種材料都能滿足特定客戶的特殊需求。”MCAM 的全球複合材料技術經理Clint Newell補充道，“隨著我們開發配方能力的增強，我們進入了新的市場，遇到了新的客戶，從而瞭解了他們的需求，並能夠著手去創造一種完美的配混料來滿足他們的需求。”
由於這些配混料最初是由一家成型商為另一家成型商所配製，因此使得它們能夠被設計成擁有易於加工的效能，從而能夠始終如一地生產出更高質量、更好效能的部件。“我們配製我們的KyronMAX產品線，以提供更高的流動性和纖維互動性、更低的內部應力，同時各向異性小、熔接線強、縮痕少、翹曲變形傾向低且尺寸精度更高，而無論成型部件的斷面是厚的還是薄的。”MCAM的研發總監Dave Wilkinson表示，“除了我們的配方和獨特的漿料技術外，我們還對自己的壓機作了改進，這樣可以更高效地加工這些材料。”
為什麼要用這個不同尋常的產品名稱呢？ “在古希臘神話中，Kyron（也被拼寫成Chiron）是半人馬半人類的意思。”MCAM 的首席創新官Randy White說，“Kyron用它獨特的個體技能，超越了它的野獸本性。我們將Kyron比作我們的配混料，希望這些一半是碳纖維、一半是樹脂的配混料像人馬一樣強壯、像人一樣聰明，加工起來很容易。”
隨著配方專業知識的增長，該公司引起了日本三菱化學控股集團的注意，該集團於2016年收購了Piper Plastics。MCHC立即投資了數百萬美元來提升其在美國亞利桑那州配混生產線的規模。自動化的操作結合引進自己的碳纖維漿料和切碎技術，使得KyronMAX配混料能以更快的速度、更高的一致性被生產出來。隨後，MCHC在美國密歇根州建立了第二條配混生產線，在日本建立了第三條配混生產線。這些擴張的產能意味著KyronMAX 級別的材料在北美和亞洲的汽車市場中可能具有競爭優勢。
擴大產品供給，新的市場機遇
現在，憑藉更大的產能以及能夠獲得更廣泛的聚合物和碳纖維材料，MCAM團隊一直在忙於開發一系列的新產品，其中一些是專門為汽車市場配製的，最有趣的一個是 KyronMAX ES 4240，據說它是世界上第一個突破了414 MPa拉伸強度的短切碳纖維增強的注射級別配混料。它所突破的那個級別的材料，是在2019年的SPE汽車工程塑膠會議（AutoEPCON）中被推出的，是40%纖維重量百分比的碳纖維增強PPA，該材料還提供了41。2 GPa的拉伸模量、34。5 Gpa的彎曲模量和552 MPa的彎曲強度。PPA是一種特殊形式的聚醯胺，具有更好的耐熱性和更廣泛的耐化學性，水解趨勢遠低於傳統的PA6和PA6/6。
專為汽車應用而開發的新的可注射成型CFRTP配混料KyronMAX ES 4240，是一種40%重量百分比的短切碳纖維增強 PPA，據說它是第一個突破414MPa拉伸強度的材料（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）
在2019年的SPE AutoEPCON會議中推出的其他汽車級別的材料還包括專為發動機蓋下應用而開發的一種耐高溫的碳纖維增強PPA級別，據說該材料的玻璃化轉變溫度（Tg）和連續使用溫度（CUT）能與PEEK相媲美，但更易於成型。毫無疑問，考慮到像汽車和小家電這樣的大批次生產行業對成本的敏感性，該團隊還在研究聚丙烯基的KyronMAX產品。
隨著其產品線的擴大，使用這些材料的市場也在不斷擴大。除了渴望已久的汽車業務外，現在該公司還服務於醫療器械（耐用的和一次性的）、小型家電及消費電子產品等領域。航空/航天仍然很重要，體育用品行業也是如此，在這些領域中，該公司已經發展到涵蓋賽車、山地車、高爾夫球杆、複合弓及其他射箭部件等應用。有多種產品提供的線性熱膨脹係數（CLTE）類似於金屬注射成型（MIM）的鋁和鎂，它們有更好的韌性、更輕的重量和更低的成本——該團隊發現，其材料在越來越多的應用中取代了金屬。
為了向航空領域的客戶展示KyronMAX複合材料的效能，MCAM設計並製造了一種用於航空母艦的普通的四分之一回轉固定門閂。由於高負荷要求，目前該部件由鋁製成。而30%重量百分比的短切碳纖維增強PEI 材料（KyronMAX S 6230）憑藉其力學效能以及在阻燃、煙霧和毒氣方面的優勢而被選中用於取代鋁。該複合材料的部件不僅滿足了鋁所能達到的效能要求，而且令重量減輕了一半，目前正在接受幾家客戶的評估。此外，它們還能得到噴塗以與飛機內飾顏色保持一致（圖片來自三菱化學先進材料有限公司）
隨著與全球範圍內的三菱公司日益廣泛的接觸，現在MCAM團隊能夠獲得代表更廣泛複合材料產品組合的技術，跨越了熱塑性塑膠和熱固性塑膠，且可以採用更廣泛的增強材料型別和纖維長度。
在MCAM內部，另一項接近商業化的技術是採用熱塑性基體材料的織物（非織造織物、編織織物和單向織物）增強的干預浸料，名為KyronTEX，這些產品目前正在進行戰略性取樣。2021年夏季，MCAM 收購了德國carbonNXT 公司及其姐妹公司德國CFK Valley State Recycling GmbH and Co。 KG 公司，從而將一整套碳纖維回收技術引入該集團的產品生產中。據說 MCAM團隊將在多種配方中試用回收碳纖維，然後推出合格的商業化產品。
