Koje industrije će imati koristi od budućeg porasta proizvodnog kapaciteta termoplastičnih karbonskih vlakana?
Razvoj industrije materijala ima povijest dužu od stotinu godina, tijekom koje su se novi materijali koje karakterizira lagana, visoka čvrstoća i krutost pojavili i stekli popularnost u raznim područjima i industrijama. To uključuje ranije materijale poput stakloplastike, kao i današnja karbonska i aramidna vlakna. Ova vlakna visokih performansi mogu se kombinirati s različitim matričnim materijalima kako bi se stvorili kompozitni materijali koji su stabilnijeg oblika, imaju bolju izvedbu i nude učinkovitiju obradu. Ovaj članak govori o trenutno popularnim termoplastičnim kompozitima od karbonskih vlakana. Međutim, do sada, globalni proizvodni kapaciteti za ovu vrstu kompozitnog materijala ostaju oskudni. Kako bi se postigla raznolika primjena, povećanje tehnološke razine i proizvodnog kapaciteta hitno je pitanje koje treba riješiti. Pod pretpostavkom da dođe do budućih otkrića u tehnološkim uskim grlima, koje bi industrije imale koristi od porasta proizvodnih kapaciteta termoplastičnih kompozita od ugljičnih vlakana?
Značaj i ograničenja termoplastičnih kompozita od ugljičnih vlakana
Termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana često se uspoređuju s termoreaktivnim kompozitima od karbonskih vlakana, kompozitima od stakloplastike i kompozitima od aramidnih vlakana. Neka istraživanja sugeriraju da termoreaktivni kompoziti od karbonskih vlakana pokazuju veću krutost, dok kompoziti od aramidnih vlakana nude bolju žilavost. Međutim, određeni termoplastični kompoziti od ugljičnih vlakana nadmašuju svoje termoreaktivne parnjake u pogledu performansi, kao što su kontinuirani ugljičnim vlaknima ojačani polieter eter keton (CF/PEEK) kompoziti. Zapravo, prednosti termoplastičnih karbonskih vlakana nadilaze mehanička svojstva; također pokazuju prednosti u aspektima kao što su priprema, obrada i recikliranje.
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 ponovnu proizvodnju komponenti u nove proizvode, što je značajna prednost u usporedbi s termoreaktivnim polimerima i njihovim kompozitima ojačanim vlaknima. Međutim, zbog slabog međufaznog prianjanja između karbonskih vlakana i termoplastične matrice, korišteni su različiti površinski tretmani, kao što su kemijske, plazma i elektrokemijske metode, za uvođenje površinskih funkcionalnih skupina i poboljšanje međufaznog povezivanja. Kroz proizvodne procese kao što su injekcijsko prešanje, kompresijsko prešanje i ekstruzija, termoplastični kompoziti ojačani ugljičnim vlaknima proizvedeni su u različite lagane komponente koje pokazuju visoku otpornost na udarce, mogućnost popravka i recikliranja.
Dok termoplastični kompoziti od ugljičnih vlakana i njihove odgovarajuće komponente sami po sebi posjeduju prednosti, oni također imaju određena ograničenja, kao što je mala vlačna deformacija u jednosmjernim trakama od ugljičnih vlakana i negativan utjecaj zaostalih otapala na konačnu izvedbu. Hibridni tanki slojevi, kutovi i strukture valovitog sloja korišteni su za proširenje vlačne deformacije loma, između ostalih pristupa. Prije nego što tehnologija sazrije, široka primjena termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana zahtijevat će značajna istraživanja i eksperimentiranje.
Koji su trenutno obećavajući smjerovi primjene termoplastičnih karbonskih vlakana?
Istraživanje termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana je u tijeku, ali se trenutno suočava s uskim grlima. Visokotemperaturno rastaljeno stanje termoplastičnih smola ne može učinkovito smočiti snopove ugljičnih vlakana, što dovodi do neravnomjerne raspodjele unutar pripremljenih termoplastičnih preprega od ugljičnih vlakana i značajnog smanjenja razine performansi. Dodatno, naknadna obrada termoplastičnih preprega od karbonskih vlakana također se susreće s raznim izazovima. Samo rješavanjem ovih problema više industrija može imati koristi od ovih materijala.
1. Zrakoplovstvo: Upotreba kompozita od karbonskih vlakana u zrakoplovima započela je s pomoćnim strukturama kao što su krilca, trim ploče i kormila. Plastika ojačana ugljičnim vlaknima (CFRP) pokazuje izvrsna mehanička svojstva, uključujući visoke omjere čvrstoće i težine i visoke omjere krutosti i težine. S napretkom u tehnologiji, izvedba vlakana i matrica značajno se poboljšala, poboljšavajući izvedbu laminata i omogućujući korištenje ovih materijala u glavnim strukturama zrakoplova poput trupa, vertikalnih stabilizatora, stražnjih kutija i krila, zamjenjujući tradicionalne lagane metalne legure. Termoplastična karbonska vlakna mogu zamijeniti neka termoreaktivna karbonska vlakna, pružajući bolju izvedbu za te komponente.
2. Snaga 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 novoinstaliranim kapacitetima vjetroelektrana, ukupno 93 gigavata. U lopaticama vjetroturbina karbonska vlakna imaju jasnu prednost u odnosu na stakloplastike, nudeći 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 preko 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 opremi za energiju vjetra sektor.
3.Automobilska proizvodnja: Tijekom proteklog desetljeća, stroži globalni standardi automobilske emisije i brzi rast električnih vozila nagnali su industriju da ponovno uvede ugljična vlakna kako bi smanjila težinu. Korištenje laganih materijala poput CFRP kompozita u automobilskim strukturama najizravnija je metoda za postizanje smanjenja težine. Potrošnja ugljičnih vlakana značajno je porasla u 2013., uz nastavak uzlaznog trenda. U 2021. godini potražnja za karbonskim vlaknima bila je 9,5 tona, a očekuje se da će premašiti 12,6 tona do 2024. godine. Kina je najveće proizvodno središte za električna vozila, a također i najveće krajnje tržište. Primjena termoplastičnih ugljičnih vlakana u automobilima može pružiti bolje performanse ubrzanja, a istovremeno nudi 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 izvrsne otpornosti na zamor kompozita od karbonskih vlakana, životni vijek CFRP kompozitnih tlačnih posuda tipa III i tipa IV može doseći i do 30 godina. Kompozitni spremnik bez obloge od potpuno ugljičnih vlakana tipa V prvi je put proizveden 2012. za skladištenje argona u satelitskim komponentama. Jedna od primjena jednosmjernih kompozitnih traka od termoplastičnih ugljičnih vlakana je proizvodnja tlačnih posuda, koje imaju veliki tržišni potencijal za buduće skladištenje vodika pod visokim pritiskom, argona i drugih plinova.
5.Sport: Ključni proizvodi izrađeni od karbonskih vlakana uključuju palice za golf, štapove za pecanje i teniske rekete. Od 2010. uporaba ugljičnih vlakana u sportskoj opremi i opremi za slobodno vrijeme pokazuje stalan trend rasta. 2021. godine količina karbonskih vlakana korištenih u sportu dosegla je impresivnih 18,5 tona. Golf palice i bicikli predstavljaju najveća područja potrošnje karbonskih vlakana, s udjelom od 27,6% odnosno 25,4% ukupne potrošnje. Očekuje se da će sportska roba izrađena od termoplastičnih kompozita ugljičnih vlakana pomaknuti natjecateljski sport do novih granica, dok će poboljšanja proizvodnih kapaciteta nastaviti snižavati cijene ove sportske robe, čineći je pristupačnijom u svakodnevnom životu.
Recikliranje odbačenih proizvoda od karbonskih vlakana je hitno, a proces implementacije treba poboljšati.
Povećanje proizvodnog kapaciteta termoplastičnih kompozita od ugljičnih vlakana doista može potaknuti brzi razvoj u industriji ugljičnih vlakana i promicati napredak u zrakoplovnoj industriji, proizvodnji energije vjetra, proizvodnji automobila, tlačnim posudama i drugim sektorima. Međutim, također će se suočiti sa značajnim izazovom: kako učinkovito reciklirati oštećene ili odbačene termoplastične proizvode od karbonskih vlakana. S trenutnim niskim proizvodnim kapacitetom termoplastičnih kompozita i proizvoda od ugljičnih vlakana, predviđa se da bi do 2025. proizvodni proces mogao generirati 20000 tona otpada i otpadnih dijelova godišnje. Ako se proizvodni kapaciteti u budućnosti značajno povećaju, značajno će porasti i količina ovog otpada.
Od sirovina do gotovih proizvoda, proces proizvodnje kompozita stvara veliku količinu otpada, uključujući suha vlakna/tkanine, stvrdnute ili nestvrdnute preprege, ukrase, ispitne uzorke i neodobrene proizvode. Prosječna stopa otpada za proizvodnju kompozita od karbonskih vlakana je približno 32,4%. Ovisno o proizvodnim procesima ili područjima primjene, tradicionalne proizvodne metode kao što su postupci autoklava u zrakoplovstvu imaju stope otpada veće od 50%, dok ručna proizvodnja sportske opreme ima stope otpada u rasponu od 4% do 8%. Za modernije procese proizvodnje kompozita, stope otpada su između 30% i 50% za procese kalupljenja i kompozita, 5% do 10% za procese pultruzije i 2% do 3% za procese namotavanja niti.
