Koje industrije će imati koristi od buduće eksplozije proizvodnih kapaciteta termoplastičnih karbonskih vlakana?
Razvoj industrije materijala ima povijest koja se proteže više od jednog stoljeća, tijekom kojeg su se pojavili novi materijali koje karakterizira lagana težina, velika čvrstoća i krutost, stječući popularnost u raznim područjima i industrijama. Od ranijih staklenih vlakana do današnjih karbonskih vlakana i aramidnih vlakana, ova vlakna visokih performansi mogu se kombinirati s različitim matričnim materijalima kako bi se stvorili kompozitni materijali koji su stabilnijeg oblika, imaju poboljšane performanse i omogućuju učinkovitiju obradu. Ovaj članak govori o trenutno popularnim termoplastičnim kompozitima od karbonskih vlakana. Međutim, do sada, globalni proizvodni kapaciteti za ovu vrstu kompozita i dalje su oskudni. Kako bi se postigle različite primjene, bitno je odgovoriti na izazove poboljšanja tehnoloških razina i povećanja ograničenja proizvodnih kapaciteta. Pod pretpostavkom da buduća otkrića u tehnološkim uskim grlima dovedu do eksplozije proizvodnog kapaciteta termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana, koje bi industrije imale koristi?
Značaj i ograničenja termoplastičnih kompozita od ugljičnih vlakana
Termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana često se uspoređuju s termoreaktivnim kompozitima od karbonskih vlakana, kompozitima od staklenih vlakana i kompozitima od aramidnih vlakana. Neka istraživanja pokazuju da termoreaktivni kompoziti od karbonskih vlakana pokazuju veću krutost, dok kompoziti od aramidnih vlakana imaju bolju žilavost. Međutim, određeni termoplastični kompoziti od ugljičnih vlakana, kao što je polieter eter keton (CF/PEEK) ojačan kontinuiranim ugljičnim vlaknima, pokazuju superiorne performanse u usporedbi sa svojim termoreaktivnim parnjacima.
Zapravo, prednosti termoplastičnih karbonskih vlakana nadilaze mehanička svojstva. Također predstavljaju prednosti u smislu pripreme, obrade i recikliranja.
Zbog brze obrade i mogućnosti recikliranja termoplastičnih materijala, termoplastični kompoziti ojačani vlaknima sve se više koriste u zrakoplovnoj, automobilskoj, građevinskoj i kemijskoj industriji. Sposobnost taljenja termoplastičnih materijala i njihovih kompozita ojačanih vlaknima omogućuje preoblikovanje proizvedenih dijelova u nove proizvode, što je značajna prednost u odnosu na termoreaktivne polimere i njihove kompozite ojačane vlaknima.
Međutim, zbog slabog međufaznog prianjanja između karbonskih vlakana i termoplastičnih matrica, različiti površinski tretmani, kao što su kemijske, plazma i elektrokemijske metode, primijenjeni su za uvođenje površinskih funkcionalnih skupina i poboljšanje međufaznog povezivanja. Termoplastični kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima proizvedeni su u različite lagane komponente s visokom otpornošću na udarce, popravljivošću i recikliranjem kroz proizvodne procese kao što su injekcijsko prešanje, kompresijsko prešanje i ekstruzija.
Dok termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana i njihove odgovarajuće komponente sami po sebi imaju prednosti, oni se također suočavaju s određenim ograničenjima. Na primjer, jednosmjerni termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana pokazuju nisku vlačnu deformaciju i prisutnost zaostalih otapala može negativno utjecati na konačnu izvedbu. Kako bi se produžila vlačna deformacija loma, korišteni su hibridni tanki slojevi, kutni slojevi i valoviti slojevi sendvič strukture. Prije nego što tehnologija sazrije, široka primjena termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana zahtijevat će opsežna istraživanja i eksperimentiranje.
Koje su obećavajuće upute za primjenu termoplastičnih karbonskih vlakana?
Istraživanje termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana je u tijeku, ali trenutno se suočava s određenim uskim grlima. Visokotemperaturno rastaljeno stanje termoplastičnih smola ne može učinkovito smočiti snopove ugljičnih vlakana, što dovodi do neravnomjerne raspodjele unutar proizvedenog termoplastičnog preprega od ugljičnih vlakana i značajnog smanjenja razine performansi. Nadalje, naknadna obrada termoplastičnih preprega od karbonskih vlakana također se susreće s mnogim izazovima. Samo rješavanjem ovih problema više industrija može imati koristi od ovih materijala.
1. Zrakoplovstvo: Upotreba kompozita od ugljičnih vlakana u zrakoplovima započela je s pomoćnim strukturama kao što su krilca, trim ploče elevatora i kormila. CFRP (polimer ojačan ugljičnim vlaknima) pokazuje izvrsna mehanička svojstva, uključujući visok omjer čvrstoće i težine i visok omjer krutosti i težine. S napretkom u tehnologiji, izvedba vlakana i matrica značajno se poboljšala, poboljšavajući izvedbu laminata i dopuštajući da se ovaj materijal primijeni na glavne strukture zrakoplova kao što su trupovi, okomiti repovi, stražnje kutije i krila, zamjenjujući tradicionalne lagane metalne legure. Termoplastična karbonska vlakna mogu zamijeniti neka termoreaktivna karbonska vlakna, pružajući bolje performanse u tim komponentama.
2. Proizvodnja energije vjetra: Prema Globalnom vijeću za energiju vjetra, ukupni instalirani kapacitet vjetroelektrana u cijelom svijetu dosegao je približno 743 gigavata u 2020., s povećanjem od 53% u novoinstaliranom kapacitetu, ukupno 93 gigavata. U lopaticama vjetroturbina ugljična vlakna imaju značajne prednosti u odnosu na staklena vlakna, uključujući veći specifični vlačni modul, veću specifičnu vlačnu čvrstoću i bolju otpornost na zamor. Potrošnja ugljičnih vlakana u strukturama vjetroturbina porasla je s oko 800 tona u 2004. na više od 30 tona u 2021., a očekuje se da će premašiti 81 tonu do 2025. Termoplastični kompoziti od ugljičnih vlakana također se mogu naširoko primijeniti u rastućoj energiji vjetra sektor opreme.
3.Automobilska proizvodnja: Tijekom prošlog desetljeća, stroži standardi automobilske emisije i brzi rast električnih vozila potaknuli su industriju na ponovnu upotrebu karbonskih vlakana za smanjenje težine. Korištenje laganih materijala kao što su CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) kompoziti u automobilskim strukturama najizravnija je metoda za smanjenje težine. U 2013. potrošnja ugljičnih vlakana zabilježila je značajan rast, nastavljajući uzlazni trend. U 2021. potražnja za ugljičnim vlaknima dosegnula je 9,5 tona, a očekuje se da će premašiti 12,6 tona do 2024. Kina je najveći proizvođač i krajnje tržište za električna vozila na globalnoj razini, a primjena termoplastičnih ugljičnih vlakana u automobilima može pružiti bolje performanse ubrzanja, a također nudeći bolju sigurnosnu zaštitu.
4. Tlačne posude: Visokotlačni spremnici za skladištenje plina jedno su od najvećih i najbrže rastućih tržišta za napredne kompozite, posebice kompozite od ugljičnih vlakana. Zbog izvrsnih svojstava zamora kompozita od ugljičnih vlakana, životni vijek CFRP kompozitnih tlačnih posuda tipa III i IV može doseći i do 30 godina. Kompozitni spremnici tipa V bez obloga od ugljičnih vlakana prvi su put proizvedeni 2012. za skladištenje argona u satelitskim komponentama. Jedna od primjena termoplastičnih kompozita ugljičnih vlakana u jednosmjernim trakama je proizvodnja tlačnih posuda, s obećavajućim tržišnim potencijalom za skladištenje vodika pod visokim tlakom, argona i drugih plinova u budućnosti.
5.Sportska oprema: Glavni proizvodi izrađeni od karbonskih vlakana uključuju palice za golf, štapove za pecanje i teniske rekete. Od 2010. godine uporaba karbonskih vlakana u sportskoj i rekreacijskoj opremi pokazuje stalan trend rasta. U 2021. godini količina karbonskih vlakana korištenih u sportu dosegla je impresivnih 18,5 tona. Golf klubovi i bicikli najveća su potrošačka područja za ugljična vlakna, na njih otpada 27,6% odnosno 25,4% ukupne potrošnje. Očekuje se da će sportska roba izrađena od termoplastičnih kompozita ugljičnih vlakana podići natjecateljski sport na nove visine. Kako se proizvodni kapacitet povećava, cijene ove vrste sportske opreme nastavljaju padati, čineći ih dostupnijima u svakodnevnom životu.
Recikliranje odbačenih proizvoda od ugljičnih vlakana je hitno, a provedbu je potrebno poboljšati
Poboljšanje proizvodnog kapaciteta za termoplastične kompozite od karbonskih vlakana doista može potaknuti brzi razvoj u industriji karbonskih vlakana i unaprijediti sektore kao što su zrakoplovstvo, proizvodnja energije vjetra, proizvodnja automobila i tlačne posude. Međutim, također postavlja hitno pitanje: kako učinkovito reciklirati oštećene i odbačene termoplastične proizvode od karbonskih vlakana. S trenutnim niskim proizvodnim kapacitetom termoplastičnih kompozita i proizvoda od ugljičnih vlakana, procjenjuje se da bi do 2025. proizvodni proces mogao generirati oko 20,000 tona otpada i starog dijela godišnje. Ako se proizvodni kapacitet značajno poveća u budućnosti, količina otpada također će se značajno povećati.
Tijekom proizvodnog procesa od sirovina do gotovih proizvoda stvara se velika količina otpada, uključujući suha vlakna/tkanine, stvrdnute ili nestvrdnute preprege, odsječke, testne uzorke i neodobrene proizvode. Prosječna stopa otpada za proizvodnju kompozita od karbonskih vlakana je približno 32,4%. Ovisno o proizvodnom procesu ili primjeni, tradicionalne metode proizvodnje kao što su proizvodnja u autoklavu u zrakoplovstvu i RTM procesi imaju stope otpada veće od 50%, dok ručno proizvedena sportska oprema ima stope otpada od 4-8%. Za modernije kompozitne proizvodne procese, kalupljenje i kompozitne tehnike daju stopu otpada od 30-50%, pultruzija ima stopu od 5-10%, a procesi namotavanja niti imaju stopu od 2-3%. Kako proizvodni procesi nastavljaju sazrijevati, očekuje se da će se stope otpada smanjiti.
Iako je postotak malen, ukupna količina plastičnog otpada ojačanog ugljičnim vlaknima je značajna, pogotovo jer se industrija ugljičnih vlakana brzo širi; stoga se povećava i odgovarajući otpad od karbonskih vlakana. Trenutačno se većina otpada od termoreaktivnih kompozita ugljičnih vlakana odlaže putem odlagališta. Nasuprot tome, termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana imaju bolju mogućnost recikliranja. Ako povezane tvrtke preuzmu odgovornost i ako se provedu odgovarajući zakoni i propisi, to može učinkovito ublažiti trenutne izazove neučinkovitog upravljanja otpadom od karbonskih vlakana. Xinhong Industrial Co., Ltd. vjeruje da ugljična vlakna i kompoziti pružaju praktičnost i vrijednost našim životima, i iako imamo koristi od njih, bitno je usredotočiti se na napore recikliranja kako bismo zaštitili okoliš, što zauzvrat štiti kontinuitet civilizacije.
