Ktorým odvetviam prinesie budúca explózia výrobnej kapacity termoplastických uhlíkových vlákien úžitok?
Vývoj materiálového priemyslu má viac ako storočnú históriu, počas ktorej sa objavili nové materiály vyznačujúce sa nízkou hmotnosťou, vysokou pevnosťou a tuhosťou, ktoré si získali popularitu v rôznych oblastiach a odvetviach. Od skorších sklenených vlákien až po dnešné uhlíkové vlákna a aramidové vlákna možno tieto vysokovýkonné vlákna kombinovať s rôznymi matricovými materiálmi, aby sa vytvorili kompozitné materiály, ktoré sú tvarovo stabilnejšie, majú zvýšený výkon a umožňujú efektívnejšie spracovanie. Tento článok pojednáva o súčasných trendových kompozitoch z termoplastických uhlíkových vlákien. V súčasnosti je však globálna výrobná kapacita tohto typu kompozitu stále obmedzená. Na dosiahnutie rôznorodých aplikácií je nevyhnutné riešiť výzvy súvisiace so zlepšovaním technologických úrovní a zvyšovaním limitov výrobnej kapacity. Za predpokladu, že budúce prelomy v technologických prekážkach povedú k explózii výrobnej kapacity kompozitov z termoplastických uhlíkových vlákien, ktoré odvetvia by z toho mali prospech?
Význam a obmedzenia termoplastických kompozitov z uhlíkových vlákien
Kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien sa často porovnávajú s termosetovými kompozitmi z uhlíkových vlákien, kompozitmi zo sklenených vlákien a kompozitmi z aramidových vlákien. Niektoré štúdie naznačujú, že termosetové kompozity z uhlíkových vlákien vykazujú vyššiu tuhosť, zatiaľ čo kompozity z aramidových vlákien majú lepšiu húževnatosť. Určité kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien, ako napríklad polyéteréterketón vystužený uhlíkovými vláknami (CF/PEEK), však vykazujú lepší výkon v porovnaní s ich termosetovými náprotivkami.
V skutočnosti výhody termoplastických uhlíkových vlákien presahujú mechanické vlastnosti. Predstavujú tiež výhody z hľadiska prípravy, spracovania a recyklácie.
V dôsledku rýchleho spracovania a recyklovateľnosti termoplastických materiálov sa termoplastické kompozity vystužené vláknami čoraz viac používajú v leteckom, automobilovom, stavebnom a chemickom priemysle. Schopnosť taviť termoplastické materiály a ich vláknami vystužené kompozity umožňuje pretváranie vyrobených dielov na nové produkty, čo je významná výhoda oproti termosetovým polymérom a ich vláknom vystuženým kompozitom.
Avšak kvôli slabej medzifázovej adhézii medzi uhlíkovými vláknami a termoplastickými matricami sa na zavedenie povrchových funkčných skupín a zlepšenie medzifázovej väzby použili rôzne povrchové úpravy, ako sú chemické, plazmové a elektrochemické metódy. Termoplastické kompozity vystužené uhlíkovými vláknami boli vyrobené do rôznych ľahkých komponentov s vysokou odolnosťou proti nárazu, opraviteľnosťou a recyklovateľnosťou prostredníctvom výrobných procesov, ako je vstrekovanie, lisovanie a extrúzia.
Zatiaľ čo kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien a ich zodpovedajúce komponenty majú vo svojej podstate výhody, čelia aj určitým obmedzeniam. Jednosmerné kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien napríklad vykazujú nízke napätie v ťahu a prítomnosť zvyškových rozpúšťadiel môže negatívne ovplyvniť konečný výkon. Na predĺženie napätia pri porušení ťahom sa použili hybridné tenké vrstvy, uhlové vrstvy a sendvičové štruktúry z vlnitej vrstvy. Predtým, ako táto technológia dospeje, bude rozsiahle použitie kompozitov z termoplastických uhlíkových vlákien vyžadovať rozsiahly výskum a experimentovanie.
Aké sú sľubné aplikačné pokyny pre termoplastické uhlíkové vlákna?
Výskum termoplastických kompozitov z uhlíkových vlákien prebieha, ale v súčasnosti čelí určitým prekážkam. Vysokoteplotný roztavený stav termoplastických živíc nedokáže účinne zmáčať zväzky uhlíkových vlákien, čo vedie k nerovnomernej distribúcii vo vyrobenom predimpregnovanom lamináte z termoplastických uhlíkových vlákien a výrazne znižuje úroveň výkonu. Okrem toho následné spracovanie termoplastických predimpregnovaných laminátov z uhlíkových vlákien tiež naráža na mnohé výzvy. Len vyriešením týchto problémov môže z týchto materiálov profitovať viacero odvetví.
1.Letecký priemysel: Použitie kompozitov z uhlíkových vlákien v lietadlách začalo pomocnými konštrukciami, ako sú krídelká, vyvažovacie lišty výškovky a kormidlá. CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) vykazuje vynikajúce mechanické vlastnosti, vrátane vysokého pomeru pevnosti k hmotnosti a vysokého pomeru tuhosti k hmotnosti. S pokrokom v technológii sa výrazne zlepšil výkon vlákien a matríc, čím sa zlepšil výkon laminátov a umožnil sa použiť tento materiál na hlavné konštrukcie lietadiel, ako sú trupy, zvislé chvosty, zadné skrine a krídla, čím sa nahradili tradičné ľahké kovové zliatiny. Termoplastické uhlíkové vlákna môžu nahradiť niektoré termosetové uhlíkové vlákna, ktoré poskytujú lepší výkon v týchto komponentoch.
2. Výroba veternej energie: Podľa Globálnej rady pre veternú energiu dosiahla celková inštalovaná kapacita veternej energie na celom svete v roku 2020 približne 743 gigawattov, pričom novoinštalovaná kapacita vzrástla o 53 %, celkovo 93 gigawattov. V lopatkách veterných turbín má uhlíkové vlákno oproti skleneným vláknam významné výhody, vrátane vyššieho špecifického modulu v ťahu, vyššej špecifickej pevnosti v ťahu a lepšej odolnosti proti únave. Spotreba uhlíkových vlákien v konštrukciách veterných turbín sa zvýšila z približne 800 ton v roku 2004 na viac ako 30 ton v roku 2021 a očakáva sa, že do roku 2025 presiahne 81 ton. Termoplastické kompozity z uhlíkových vlákien môžu byť tiež široko používané v rastúcej veternej energii sektore zariadení.
3. Automobilová výroba: Za posledné desaťročie prísnejšie automobilové emisné normy a rýchly rast elektrických vozidiel podnietili priemysel k opätovnému použitiu uhlíkových vlákien na zníženie hmotnosti. Použitie ľahkých materiálov, ako sú kompozity CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) v konštrukciách automobilov, je najpriamejšou metódou na zníženie hmotnosti. Spotreba uhlíkových vlákien zaznamenala v roku 2013 výrazný rast a pokračovala v rastúcom trende. V roku 2021 dosiahol dopyt po uhlíkových vláknach 9,5 tony a očakáva sa, že do roku 2024 presiahne 12,6 tony. Čína je najväčším výrobcom a konečným trhom pre elektrické vozidlá na celom svete a aplikácia termoplastických uhlíkových vlákien v automobiloch môže poskytnúť silnejší výkon pri zrýchlení a zároveň ponúka lepšiu bezpečnostnú ochranu.
4.Tlakové nádoby: Vysokotlakové zásobníky plynu sú jedným z najväčších a najrýchlejšie rastúcich trhov pre pokročilé kompozitné materiály, najmä kompozity z uhlíkových vlákien s vinutými vláknami. Vďaka vynikajúcemu únavovému výkonu kompozitov z uhlíkových vlákien môže životnosť tlakových nádob typu III a IV z kompozitu CFRP dosiahnuť až 30 rokov. Nádrže typu V z celokarbónového kompozitu bez vložky boli prvýkrát vyrobené v roku 2012 na skladovanie argónu v satelitných komponentoch. Jednou z aplikácií kompozitov z termoplastických uhlíkových vlákien v jednosmerných páskach je výroba tlakových nádob so sľubným trhovým potenciálom pre skladovanie vysokotlakového vodíka, argónu a iných plynov v budúcnosti.
5.Športové vybavenie: Medzi hlavné produkty vyrobené z uhlíkových vlákien patria golfové palice, rybárske prúty a tenisové rakety. Od roku 2010 vykazuje používanie uhlíkových vlákien v športových a rekreačných zariadeniach stabilný trend rastu. V roku 2021 dosiahlo množstvo uhlíkových vlákien používaných v športe pôsobivých 18,5 tony. Golfové palice a bicykle sú najväčšími spotrebiteľskými oblasťami uhlíkových vlákien, ktoré predstavujú 27,6 % a 25,4 % celkovej spotreby. Očakáva sa, že športový tovar vyrobený z termoplastických kompozitov z uhlíkových vlákien pozdvihne súťažné športy do nových výšin. S rastúcou výrobnou kapacitou ceny týchto druhov športového tovaru naďalej klesajú, čím sa stávajú dostupnejšími v každodennom živote.
Recyklácia vyradených produktov z uhlíkových vlákien je naliehavá a jej implementácia si vyžaduje zlepšenie
Zlepšenie výrobnej kapacity pre kompozity z termoplastických uhlíkových vlákien môže skutočne viesť k rýchlemu rozvoju v priemysle uhlíkových vlákien a pokrokových sektoroch, ako je letecký priemysel, výroba veternej energie, výroba automobilov a tlakové nádoby. Zároveň však vyvoláva naliehavú otázku: ako efektívne recyklovať poškodené a vyradené produkty z termoplastických uhlíkových vlákien. Pri súčasnej nízkej kapacite výroby kompozitov a produktov z termoplastických uhlíkových vlákien sa odhaduje, že do roku 2025 môže výrobný proces vyprodukovať približne 20,000 ton odpadu a zošrotovaných dielov ročne. Ak sa v budúcnosti výrazne zvýši výrobná kapacita, podstatne sa zvýši aj množstvo odpadu.
Počas výrobného procesu od surovín až po hotové výrobky vzniká veľké množstvo odpadu, vrátane suchých vlákien/látok, vytvrdených alebo nevytvrdených predimpregnovaných laminátov, odrezkov, skúšobných vzoriek a neschválených produktov. Priemerná miera šrotu pri výrobe kompozitov z uhlíkových vlákien je približne 32,4 %. V závislosti od výrobného procesu alebo aplikácie majú tradičné výrobné metódy, ako je výroba v autokláve v leteckom a kozmickom priemysle a procesy RTM, mieru šrotu presahujúcu 50 %, zatiaľ čo podiel šrotu ručne vyrábaného športového tovaru je 4-8 %. Pri modernejších procesoch výroby kompozitov, lisovanie a kompozitné techniky prinášajú mieru šrotu 30-50 %, pultrúzia má mieru 5-10 % a procesy navíjania vlákna majú mieru 2-3 %. Keďže výrobné procesy pokračujú vo vyspelosti, očakáva sa, že miera šrotu sa zníži.
Hoci je toto percento malé, celkový objem plastového odpadu vystuženého uhlíkovými vláknami je významný, najmä preto, že priemysel uhlíkových vlákien sa rýchlo rozširuje; teda narastá aj zodpovedajúci odpad z uhlíkových vlákien. V súčasnosti sa väčšina odpadu z termosetových kompozitov z uhlíkových vlákien likviduje skládkovaním. Naproti tomu termoplastické kompozity z uhlíkových vlákien majú lepšiu recyklovateľnosť. Ak prevezmú zodpovednosť príbuzné spoločnosti a budú sa presadzovať príslušné zákony a predpisy, môže to účinne zmierniť súčasné výzvy neefektívneho nakladania s odpadom z uhlíkových vlákien. Spoločnosť Xinhong Industrial Co., Ltd. verí, že uhlíkové vlákna a kompozity poskytujú pohodlie a hodnotu pre naše životy, a hoci z nich máme úžitok, je nevyhnutné zamerať sa na recykláciu s cieľom chrániť životné prostredie, ktoré zase chráni kontinuitu civilizácie.
