Które branże skorzystają na przyszłej eksplozji mocy produkcyjnych termoplastycznego włókna węglowego?
Rozwój przemysłu materiałowego ma ponad stuletnią historię, podczas której pojawiły się nowe materiały charakteryzujące się lekkością, dużą wytrzymałością i sztywnością, zyskujące popularność w różnych dziedzinach i gałęziach przemysłu. Od wcześniejszych włókien szklanych po dzisiejsze włókna węglowe i włókna aramidowe, te wysokowydajne włókna można łączyć z różnymi materiałami matrycy, tworząc materiały kompozytowe o bardziej stabilnym kształcie, charakteryzujące się lepszą wydajnością i umożliwiające bardziej wydajne przetwarzanie. W artykule omówiono obecnie modne kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych. Jednak obecnie globalne możliwości produkcyjne tego typu kompozytów są nadal ograniczone. Aby osiągnąć różnorodne zastosowania, konieczne jest sprostanie wyzwaniom związanym z poprawą poziomu technologicznego i zwiększeniem limitów zdolności produkcyjnej. Zakładając, że przyszłe przełomy w wąskich gardłach technologicznych doprowadzą do eksplozji mocy produkcyjnych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego, które branże odniosą na tym korzyści?
Znaczenie i ograniczenia termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego
Termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego są często porównywane z termoutwardzalnymi kompozytami z włókna węglowego, kompozytami z włókna szklanego i kompozytami z włókna aramidowego. Niektóre badania sugerują, że termoutwardzalne kompozyty z włókna węglowego wykazują wyższą sztywność, podczas gdy kompozyty z włókna aramidowego charakteryzują się lepszą wytrzymałością. Jednakże niektóre termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego, takie jak polieteroeteroketon wzmocniony ciągłym włóknem węglowym (CF/PEEK), wykazują lepszą wydajność w porównaniu z ich termoutwardzalnymi odpowiednikami.
W rzeczywistości zalety termoplastycznych włókien węglowych wykraczają poza właściwości mechaniczne. Przynoszą także korzyści w zakresie przygotowania, przetwarzania i recyklingu.
Ze względu na szybkie przetwarzanie i możliwość recyklingu materiałów termoplastycznych, kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknem są coraz częściej stosowane w przemyśle lotniczym, motoryzacyjnym, budowlanym i chemicznym. Możliwość topienia materiałów termoplastycznych i ich kompozytów wzmocnionych włóknami umożliwia przekształcenie wytworzonych części w nowe produkty, co stanowi znaczącą przewagę nad polimerami termoutwardzalnymi i ich kompozytami wzmocnionymi włóknami.
Jednakże, ze względu na słabą adhezję międzyfazową pomiędzy włóknami węglowymi a matrycami termoplastycznymi, zastosowano różne metody obróbki powierzchni, takie jak metody chemiczne, plazmowe i elektrochemiczne, w celu wprowadzenia powierzchniowych grup funkcyjnych i poprawy wiązania międzyfazowego. Kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknem węglowym zostały przetworzone w różne lekkie komponenty o wysokiej odporności na uderzenia, możliwości naprawy i recyklingu w procesach produkcyjnych, takich jak formowanie wtryskowe, formowanie tłoczne i wytłaczanie.
Chociaż termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego i odpowiadające im komponenty z natury mają zalety, napotykają również pewne ograniczenia. Na przykład jednokierunkowe termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego wykazują niskie odkształcenie rozciągające, a obecność resztkowych rozpuszczalników może negatywnie wpłynąć na ostateczną wydajność. Aby wydłużyć naprężenie niszczące przy rozciąganiu, zastosowano hybrydowe cienkie warstwy, warstwy kątowe i struktury warstwowe z warstwą falistą. Zanim technologia dojrzeje, powszechne zastosowanie termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego będzie wymagało szeroko zakrojonych badań i eksperymentów.
Jakie są obiecujące kierunki zastosowań termoplastycznego włókna węglowego?
Badania nad termoplastycznymi kompozytami z włókna węglowego są w toku, ale obecnie napotykają pewne wąskie gardła. Żywice termoplastyczne w stanie stopionym w wysokiej temperaturze nie mogą skutecznie zwilżać wiązek włókien węglowych, co prowadzi do nierównomiernego rozkładu w wytwarzanym prepregu z termoplastycznego włókna węglowego i znacznie obniża poziom wydajności. Co więcej, późniejsze przetwarzanie prepregów z termoplastycznego włókna węglowego również napotyka wiele wyzwań. Tylko rozwiązując te problemy, więcej gałęzi przemysłu może odnieść korzyści z tych materiałów.
1. Lotnictwo: Stosowanie kompozytów z włókna węglowego w samolotach rozpoczęło się od konstrukcji pomocniczych, takich jak lotki, zaczepy trymera steru wysokości i stery. CFRP (polimer wzmocniony włóknem węglowym) wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne, w tym wysoki stosunek wytrzymałości do masy i wysoki stosunek sztywności do masy. Wraz z postępem technologii wydajność włókien i matryc uległa znacznej poprawie, zwiększając wydajność laminatów i umożliwiając zastosowanie tego materiału do głównych konstrukcji samolotów, takich jak kadłuby, ogony pionowe, skrzynie ogonowe i skrzydła, zastępując tradycyjne lekkie stopy metali. Termoplastyczne włókno węglowe może zastąpić niektóre termoutwardzalne włókno węglowe, zapewniając lepszą wydajność tych komponentów.
2. Wytwarzanie energii wiatrowej: Według Global Wind Energy Council całkowita zainstalowana moc elektrowni wiatrowych na całym świecie osiągnęła w 2020 r. około 743 gigawatów, co oznacza wzrost o 53% nowo zainstalowanej mocy, wynoszącej łącznie 93 gigawaty. W łopatkach turbin wiatrowych włókno węglowe ma znaczną przewagę nad włóknem szklanym, w tym wyższy właściwy moduł sprężystości, wyższą wytrzymałość właściwą na rozciąganie i lepszą odporność na zmęczenie. Zużycie włókna węglowego w konstrukcjach turbin wiatrowych wzrosło z około 800 ton w 2004 r. do ponad 30 ton w 2021 r. i oczekuje się, że do 2025 r. przekroczy 81 ton. Kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych mogą być również szeroko stosowane w rozwijającej się energetyce wiatrowej sektor sprzętu.
3. Produkcja samochodów: W ciągu ostatniej dekady bardziej rygorystyczne normy emisji spalin w samochodach oraz szybki rozwój pojazdów elektrycznych skłoniły branżę do ponownego wykorzystania włókna węglowego w celu zmniejszenia masy. Zastosowanie lekkich materiałów, takich jak kompozyty CFRP (polimer wzmocniony włóknem węglowym) w konstrukcjach samochodowych jest najbardziej bezpośrednią metodą redukcji masy. W 2013 roku znacząco wzrosło zużycie włókna węglowego, utrzymując tendencję wzrostową. W 2021 r. popyt na włókno węglowe osiągnął 9,5 tony i oczekuje się, że do 2024 r. przekroczy 12,6 tony. Chiny są największym producentem i rynkiem końcowym pojazdów elektrycznych na świecie, a zastosowanie termoplastycznego włókna węglowego w samochodach może zapewnić lepsze przyspieszenie, a jednocześnie oferując lepszą ochronę bezpieczeństwa.
4. Zbiorniki ciśnieniowe: Wysokociśnieniowe zbiorniki do przechowywania gazu to jeden z największych i najszybciej rozwijających się rynków zaawansowanych kompozytów, zwłaszcza kompozytów z włókna węglowego nawiniętych włóknami. Ze względu na doskonałe właściwości zmęczeniowe kompozytów z włókna węglowego, żywotność kompozytowych zbiorników ciśnieniowych z CFRP typu III i IV może sięgać nawet 30 lat. Zbiorniki typu V, wykonane w całości z kompozytowych włókien węglowych, bez wykładziny, zostały po raz pierwszy wyprodukowane w 2012 roku do przechowywania argonu w elementach satelitów. Jednym z zastosowań termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego w taśmach jednokierunkowych jest produkcja zbiorników ciśnieniowych, co stwarza obiecujący potencjał rynkowy w zakresie przechowywania wodoru, argonu i innych gazów pod wysokim ciśnieniem w przyszłości.
5.Sprzęt sportowy: Do głównych produktów wykonanych z włókna węglowego należą kije golfowe, wędki i rakiety tenisowe. Od 2010 roku zastosowanie włókna węglowego w sprzęcie sportowym i rekreacyjnym wykazuje stałą tendencję wzrostową. W 2021 roku ilość włókna węglowego wykorzystywanego w sporcie osiągnęła imponujące 18,5 tony. Kluby golfowe i rowery to największe obszary konsumpcji włókna węglowego, odpowiadające odpowiednio 27,6% i 25,4% całkowitego zużycia. Oczekuje się, że artykuły sportowe wykonane z termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego wyniosą sport wyczynowy na nowy poziom. Wraz ze wzrostem mocy produkcyjnych ceny tego typu artykułów sportowych stale spadają, czyniąc je coraz bardziej dostępnymi w życiu codziennym.
Recykling wyrzuconych produktów z włókna węglowego jest pilny i wymaga usprawnienia w zakresie jego wdrażania
Poprawa zdolności produkcyjnych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego może rzeczywiście spowodować szybki rozwój przemysłu włókien węglowych i rozwój takich sektorów, jak przemysł lotniczy, energetyka wiatrowa, produkcja samochodów i zbiorniki ciśnieniowe. Jednakże rodzi to również pilne pytanie: jak skutecznie poddać recyklingowi uszkodzone i wyrzucone produkty z termoplastycznego włókna węglowego. Szacuje się, że przy obecnych niskich zdolnościach produkcyjnych kompozytów i produktów z termoplastycznych włókien węglowych do 2025 r. proces produkcyjny może generować około 20000 ton odpadów i złomowanych części rocznie. Jeśli w przyszłości moce produkcyjne znacznie wzrosną, ilość odpadów również znacznie wzrośnie.
W całym procesie produkcyjnym, od surowców po gotowe produkty, generowana jest duża ilość odpadów, w tym suche włókna/tkaniny, utwardzone lub nieutwardzone prepregi, odcięcia, próbki testowe i niezatwierdzone produkty. Średni poziom złomu przy produkcji kompozytów z włókna węglowego wynosi około 32,4%. W zależności od procesu produkcyjnego lub zastosowania, tradycyjne metody produkcyjne, takie jak produkcja w autoklawie w przemyśle lotniczym i procesy RTM, charakteryzują się współczynnikiem złomu przekraczającym 50%, podczas gdy w przypadku ręcznie produkowanych artykułów sportowych wskaźnik złomu wynosi 4-8%. W przypadku bardziej nowoczesnych procesów wytwarzania kompozytów, techniki formowania i kompozytów dają wskaźnik złomu wynoszący 30-50%, pultruzja — współczynnik 5-10%, a procesy nawijania włókien — 2-3%. W miarę doskonalenia procesów produkcyjnych oczekuje się, że ilość złomów będzie spadać.
Chociaż odsetek ten jest niewielki, całkowita ilość odpadów z tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym jest znacząca, zwłaszcza że przemysł włókien węglowych szybko się rozwija; w związku z tym wzrasta również ilość odpadów z włókna węglowego. Obecnie większość odpadów z termoutwardzalnych kompozytów z włókna węglowego jest usuwana na składowiskach. Natomiast termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego charakteryzują się lepszą możliwością recyklingu. Jeśli powiązane firmy przejmą kontrolę i wdrożą odpowiednie przepisy i regulacje, może to skutecznie złagodzić obecne wyzwania związane z nieefektywną gospodarką odpadami z włókien węglowych. Firma Xinhong Industrial Co., Ltd. wierzy, że włókna węglowe i kompozyty zapewniają wygodę i wartość w naszym życiu, a mimo że odnosimy z nich korzyści, istotne jest skupienie się na wysiłkach związanych z recyklingiem w celu ochrony środowiska, co z kolei chroni ciągłość cywilizacji.
