Które branże skorzystają na przyszłym wzroście 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, które zyskały popularność w różnych dziedzinach i gałęziach przemysłu. Obejmuje to wcześniejsze materiały, takie jak włókno szklane, a także dzisiejsze włókno węglowe i włókno aramidowe. Te wysokowydajne włókna można łączyć z różnymi materiałami matrycy, tworząc materiały kompozytowe o bardziej stabilnym kształcie, lepszej wydajności i zapewniających bardziej wydajne przetwarzanie. W artykule omówiono popularne obecnie termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego. Jednak obecnie globalne możliwości produkcyjne tego typu materiałów kompozytowych są nadal ograniczone. Aby osiągnąć zróżnicowane zastosowania, pilną kwestią, którą należy się zająć, jest podniesienie poziomu technologicznego i zdolności produkcyjnych. Zakładając, że w przyszłości nastąpią przełomy w zakresie wąskich gardeł technologicznych, które branże odniosłyby korzyści ze wzrostu mocy produkcyjnych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego?
Znaczenie i ograniczenia termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego
Kompozyty z termoplastycznych włókien węglowych są często porównywane z termoutwardzalnymi kompozytami z włókien węglowych, kompozytami z włókna szklanego i kompozytami z włókien aramidowych. Niektóre badania sugerują, że termoutwardzalne kompozyty z włókna węglowego wykazują wyższą sztywność, podczas gdy kompozyty z włókna aramidowego zapewniają lepszą wytrzymałość. Jednakże niektóre termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego przewyższają swoje termoutwardzalne odpowiedniki pod względem wydajności, takie jak kompozyty polieteroeteroketonowe (CF/PEEK) wzmocnione ciągłym włóknem węglowym. W rzeczywistości zalety termoplastycznych włókien węglowych wykraczają poza właściwości mechaniczne; wykazują również korzyści w takich aspektach, jak przygotowanie, przetwarzanie i recykling.
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 wzmacnianych włóknami pozwala na przeróbkę komponentów na nowe produkty, co stanowi istotną zaletę w porównaniu z polimerami termoutwardzalnymi i ich kompozytami wzmacnianymi włóknami. Jednakże, ze względu na słabą adhezję międzyfazową pomiędzy włóknami węglowymi a matrycą termoplastyczną, stosowano różne obróbki powierzchni, takie jak metody chemiczne, plazmowe i elektrochemiczne, w celu wprowadzenia powierzchniowych grup funkcyjnych i poprawy wiązania międzyfazowego. Dzięki procesom produkcyjnym, takim jak formowanie wtryskowe, formowanie tłoczne i wytłaczanie, kompozyty termoplastyczne wzmocnione włóknem węglowym zostały wyprodukowane w różne lekkie komponenty, które charakteryzują się wysoką odpornością na uderzenia, możliwością naprawy i recyklingu.
Chociaż termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego i odpowiadające im składniki z natury mają zalety, mają one również pewne ograniczenia, takie jak niskie odkształcenie rozciągające w jednokierunkowych taśmach z włókna węglowego i negatywny wpływ pozostałości rozpuszczalników na końcowe właściwości. Do wydłużenia naprężenia niszczącego przy rozciąganiu zastosowano między innymi hybrydowe cienkie warstwy, kątowniki i struktury warstw falistych. Zanim technologia dojrzeje, powszechne zastosowanie termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego będzie wymagało znacznych badań i eksperymentów.
Jakie są obecnie obiecujące kierunki zastosowań termoplastycznych włókien węglowych?
Badania nad termoplastycznymi kompozytami z włókna węglowego są w toku, lecz obecnie napotykają one wąskie gardła. Żywice termoplastyczne w wysokiej temperaturze w stanie stopionym nie mogą skutecznie zwilżać wiązek włókien węglowych, co prowadzi do nierównomiernego rozkładu w przygotowanych prepregach z termoplastycznych włókien węglowych i znacznie obniża poziom wydajności. Ponadto późniejsze przetwarzanie prepregów z termoplastycznego włókna węglowego również napotyka różne wyzwania. 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 trymujące i stery. Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) wykazują doskonałe właściwości mechaniczne, w tym wysoki stosunek wytrzymałości do masy i wysoki stosunek sztywności do masy. Wraz z postępem technologii wydajność włókien i matryc znacznie się poprawiła, zwiększając wydajność laminatów i umożliwiając stosowanie tych materiałów w głównych konstrukcjach samolotów, takich jak kadłuby, stabilizatory pionowe, skrzynie ogonowe i skrzydła, zastępując tradycyjne lekkie stopy metali. Termoplastyczne włókna węglowe mogą zastąpić niektóre termoutwardzalne włókna węglowe, zapewniając lepszą wydajność tych komponentów.
2. Energia wiatrowa: Według Global Wind Energy Council całkowita zainstalowana moc elektrowni wiatrowych na świecie osiągnęła w 2020 r. około 743 gigawatów, co oznacza wzrost o 53% w przypadku nowo zainstalowanych mocy elektrowni wiatrowych, wynoszących łącznie 93 gigawatów. W łopatkach turbin wiatrowych włókno węglowe ma wyraźną przewagę nad włóknem szklanym, oferując 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. Termoplastyczne kompozyty z włókna węglowego mogą być również szeroko stosowane w rozwijającym się sprzęcie do wytwarzania energii wiatrowej sektor.
3. Produkcja samochodów: W ciągu ostatniej dekady bardziej rygorystyczne światowe normy emisji spalin z pojazdów samochodowych oraz szybki rozwój pojazdów elektrycznych zmusiły branżę do ponownego wprowadzenia włókna węglowego w celu zmniejszenia masy. Zastosowanie lekkich materiałów, takich jak kompozyty CFRP, w konstrukcjach samochodowych jest najbardziej bezpośrednią metodą osiągnięcia redukcji masy. W 2013 roku znacząco wzrosło zużycie włókna węglowego, przy utrzymującej się tendencji wzrostowej. W 2021 r. zapotrzebowanie na włókno węglowe wyniosło 9,5 tony, a do 2024 r. ma przekroczyć 12,6 tony. Chiny to największy ośrodek produkcyjny pojazdów elektrycznych, a także największy rynek końcowy. Zastosowanie termoplastycznego włókna węglowego w samochodach może zapewnić lepsze przyspieszenie, a jednocześnie zapewnić 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 doskonałą odporność zmęczeniową kompozytów z włókna węglowego, żywotność kompozytowych zbiorników ciśnieniowych z CFRP typu III i IV może sięgać nawet 30 lat. Zbiornik bez wykładziny wykonany w całości z kompozytowego włókna węglowego typu V został po raz pierwszy wyprodukowany w 2012 roku do przechowywania argonu w elementach satelitów. Jednym z zastosowań termoplastycznych taśm jednokierunkowych z kompozytu włókna węglowego jest produkcja zbiorników ciśnieniowych, które posiadają ogromny potencjał rynkowy w zakresie przyszłego przechowywania wodoru, argonu i innych gazów pod wysokim ciśnieniem.
5.Sport: Kluczowe produkty wykonane z włókna węglowego to 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 stanowią największe obszary zużycia włókna węglowego, stanowiąc odpowiednio 27,6% i 25,4% całkowitego zużycia. Oczekuje się, że artykuły sportowe wykonane z termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego wyniosą sport wyczynowy na nowe granice, a poprawa mocy produkcyjnych będzie w dalszym ciągu obniżać ceny tych artykułów sportowych, czyniąc je bardziej dostępnymi w życiu codziennym.
Recykling wyrzuconych produktów z włókna węglowego jest pilny, a proces wdrażania wymaga usprawnienia.
Wzrost zdolności produkcyjnych termoplastycznych kompozytów z włókna węglowego może rzeczywiście spowodować szybki rozwój przemysłu włókien węglowych i promować postęp w przemyśle lotniczym, energetyce wiatrowej, produkcji samochodów, zbiornikach ciśnieniowych i innych sektorach. Jednak stanie także przed poważnym wyzwaniem: jak skutecznie poddać recyklingowi uszkodzone lub wyrzucone produkty z termoplastycznego włókna węglowego. Przy obecnej niskiej zdolności produkcyjnej kompozytów i produktów z termoplastycznych włókien węglowych przewiduje się, że do 2025 r. proces produkcyjny może generować 20000 ton odpadów i złomu rocznie. Jeśli w przyszłości moce produkcyjne znacznie wzrosną, ilość tych odpadów również znacząco wzrośnie.
Od surowców po gotowe produkty, proces wytwarzania kompozytów generuje dużą ilość odpadów, w tym suche włókna/tkaniny, utwardzone lub nieutwardzone prepregi, ozdoby, próbki testowe i niezatwierdzone produkty. Średni poziom złomu przy produkcji kompozytów z włókna węglowego wynosi około 32,4%. W zależności od procesów produkcyjnych lub obszarów zastosowań, tradycyjne metody produkcji, takie jak procesy w autoklawie w przemyśle lotniczym, charakteryzują się poziomem złomu przekraczającym 50%, podczas gdy ręczna produkcja artykułów sportowych charakteryzuje się poziomem złomu wahającym się od 4% do 8%. W przypadku bardziej nowoczesnych procesów wytwarzania kompozytów, ilość złomu wynosi od 30% do 50% w przypadku procesów formowania i kompozytów, od 5% do 10% w przypadku procesów pultruzji i od 2% do 3% w przypadku procesów nawijania włókien.
