Будућа експлозија у производним капацитетима термопластичних угљеничних влакана ће имати користи за које индустрије?
Развој индустрије материјала има историју која се протеже више од једног века, током које су се појавили нови материјали које карактерише лагана, висока чврстоћа и крутост, који су стекли популарност у различитим областима и индустријама. Од ранијих стаклених влакана до данашњих угљеничних влакана и арамидних влакана, ова влакна високих перформанси могу се комбиновати са различитим матричним материјалима да би се створили композитни материјали који су стабилнијег облика, имају побољшане перформансе и омогућавају ефикаснију обраду. Овај чланак говори о тренутно трендовским термопластичним композитима од угљеничних влакана. Међутим, до сада, глобални производни капацитети за ову врсту композита и даље су оскудни. Да би се постигле различите примене, од суштинског је значаја да се позабавимо изазовима побољшања технолошког нивоа и повећања ограничења производних капацитета. Под претпоставком да будућа открића у технолошким уским грлима доведу до експлозије у производним капацитетима термопластичних композита од угљеничних влакана, које индустрије би имале користи?
Значај и ограничења термопластичних композита од угљеничних влакана
Термопластични композити од угљеничних влакана се често упоређују са термореактивним композитима од угљеничних влакана, композитима од стаклених влакана и композитима арамидних влакана. Неке студије сугеришу да термореактивни композити од угљеничних влакана показују већу крутост, док композити од арамидних влакана имају бољу жилавост. Међутим, одређени термопластични композити од угљеничних влакана, као што је континуирани полиетар етар кетон ојачан угљеничним влакнима (ЦФ/ПЕЕК), показују супериорне перформансе у поређењу са својим термореактивним колегама.
У ствари, предности термопластичних угљеничних влакана сежу даље од механичких својстава. Они такође представљају предности у погледу припреме, обраде и рециклаже.
Због брзе обраде и могућности рециклирања термопластичних материјала, термопластични композити ојачани влакнима се све више користе у ваздухопловној, аутомобилској, грађевинској и хемијској индустрији. Способност топљења термопластичних материјала и њихових композита ојачаних влакнима омогућава да се произведени делови реформишу у нове производе, што је значајна предност у односу на термореактивне полимере и њихове композите ојачане влакнима.
Међутим, због лоше међуфазне адхезије између угљеничних влакана и термопластичних матрица, примењени су различити површински третмани, као што су хемијске, плазма и електрохемијске методе за увођење површинских функционалних група и побољшање међуфазног везивања. Термопластични композити ојачани карбонским влакнима произведени су у различите лаке компоненте са високом отпорношћу на удар, поправљивошћу и рециклажом кроз производне процесе као што су бризгање, компресијско пресовање и екструзија.
Док термопластични композити од угљеничних влакана и њихове одговарајуће компоненте инхерентно поседују предности, они се такође суочавају са одређеним ограничењима. На пример, једносмерни термопластични композити од угљеничних влакана показују ниску затезну деформацију и присуство заосталих растварача може негативно утицати на коначни учинак. Да би се продужила затезна деформација лома, коришћени су хибридни танки слојеви, угаони слојеви и сендвич структуре ребрастог слоја. Пре него што технологија сазре, широка примена термопластичних композита од угљеничних влакана захтеваће опсежна истраживања и експерименте.
Који су обећавајући правци примене термопластичних угљеничних влакана?
Истраживања о термопластичним композитима од угљеничних влакана су у току, али тренутно се суочавају са одређеним уским грлима. Високотемпературно растопљено стање термопластичних смола не може ефикасно да навлажи снопове угљеничних влакана, што доводи до неравномерне дистрибуције унутар произведеног препрега од термопластичних угљеничних влакана и значајно снижава нивое перформанси. Штавише, накнадна обрада термопластичних препрега од угљеничних влакана такође наилази на многе изазове. Само решавањем ових проблема више индустрија може имати користи од ових материјала.
1. Ваздухопловство: Употреба композита од угљеничних влакана у авионима почела је са помоћним структурама као што су елерони, трим језичци лифта и кормила. ЦФРП (полимер ојачан карбонским влакнима) показује одличне механичке особине, укључујући висок однос чврстоће и тежине и висок однос крутости и тежине. Са напретком у технологији, перформансе влакана и матрица су се значајно побољшале, побољшавајући перформансе ламината и омогућавајући примену овог материјала на главне структуре авиона као што су трупови, вертикални репови, репне кутије и крила, замењујући традиционалне лаке металне легуре. Термопластична карбонска влакна могу заменити нека термореактивна угљенична влакна, обезбеђујући боље перформансе у овим компонентама.
2. Производња енергије ветра: Према Глобалном савету за енергију ветра, укупан инсталисани капацитет енергије ветра широм света достигао је приближно 743 гигавата у 2020. години, уз повећање од 53% у новоинсталисаним капацитетима, укупно 93 гигавата. У лопатицама ветротурбина, угљенична влакна имају значајне предности у односу на стаклена влакна, укључујући већи специфични модул затезања, већу специфичну затезну чврстоћу и бољу отпорност на замор. Потрошња угљеничних влакана у структурама ветротурбина је повећана са око 800 тона у 2004. на више од 30 тона у 2021. години, а очекује се да ће премашити 81 тону до 2025. Термопластични композити од угљеничних влакана такође се могу широко применити у растућој енергији ветра. сектор опреме.
3.Производња аутомобила: Током протекле деценије, строжи стандарди аутомобилске емисије и брзи раст електричних возила подстакли су индустрију да поново користи угљенична влакна како би смањила тежину. Употреба лаких материјала као што су ЦФРП (полимер ојачан карбонским влакнима) композити у аутомобилским конструкцијама је најдиректнији метод за смањење тежине. У 2013. потрошња угљеничних влакана је забележила значајан раст, настављајући узлазни тренд. У 2021. потражња за угљеничним влакнима достигла је 9,5 тона и очекује се да ће премашити 12,6 тона до 2024. Кина је највећи произвођач и крајње тржиште електричних возила на глобалном нивоу, а примена термопластичних угљеничних влакана у аутомобилима може да обезбеди јаче перформансе убрзања, а такође нудећи бољу безбедносну заштиту.
4. Посуде под притиском: Контејнери за складиштење гаса под високим притиском су једно од највећих и најбрже растућих тржишта за напредне композите, посебно композите од угљеничних влакана намотаних филаментима. Због одличних перформанси замора композита од угљеничних влакана, животни век ЦФРП композитних посуда под притиском може да достигне и до 30 година. Резервоари типа В од композитних карбонских влакана без облоге су први пут произведени 2012. за складиштење аргона у сателитским компонентама. Једна примена термопластичних композита од угљеничних влакана у једносмерним тракама је у производњи посуда под притиском, са обећавајућим тржишним потенцијалом за складиштење водоника, аргона и других гасова под високим притиском у будућности.
5.Спортска опрема: Главни производи направљени од угљеничних влакана укључују палице за голф, штапове за пецање и тениске рекете. Од 2010. године употреба карбонских влакана у опреми за спорт и рекреацију показује стални тренд раста. Године 2021. количина угљеничних влакана која се користе у спорту достигла је импресивних 18,5 тона. Голф палице и бицикли су највећи потрошачи угљеничних влакана, са 27,6% односно 25,4% укупне потрошње. Очекује се да ће спортска опрема направљена од термопластичних композита од угљеничних влакана подићи такмичарски спорт на нове висине. Како се производни капацитети повећавају, цене ових врста спортске опреме настављају да опадају, чинећи их доступнијим у свакодневном животу.
Рециклирање одбачених производа од угљеничних влакана је хитно и потребно је побољшати имплементацију
Побољшање производних капацитета за термопластичне композите од угљеничних влакана може заиста да подстакне брзи развој у индустрији угљеничних влакана и унапреди секторе као што су ваздухопловство, производња енергије ветра, производња аутомобила и посуде под притиском. Међутим, то такође поставља хитно питање: како ефикасно рециклирати оштећене и одбачене производе од термопластичних угљеничних влакана. Са тренутним ниским производним капацитетом термопластичних композита и производа од угљеничних влакана, процењује се да би до 2025. производни процес могао да генерише око 20,000 тона отпада и отпадних делова годишње. Ако се капацитет производње значајно повећа у будућности, количина отпада ће такође значајно порасти.
Током процеса производње, од сировина до готових производа, ствара се велика количина отпада, укључујући сува влакна/тканине, осушене или неосушене препреге, одсечене делове, узорке за испитивање и неодобрене производе. Просечна стопа отпада за производњу композита од угљеничних влакана је приближно 32,4%. У зависности од производног процеса или примене, традиционалне методе производње, као што је производња аутоклава у ваздухопловству и РТМ процеси, имају стопу отпада која прелази 50%, док ручно произведена спортска опрема има стопу отпада од 4-8%. За модерније процесе производње композита, технике обликовања и композита дају стопу отпада од 30-50%, пултрузија има стопу од 5-10%, а процеси намотавања филамента имају стопу од 2-3%. Како производни процеси настављају да сазревају, очекује се да ће се стопа отпадака смањити.
Иако је проценат мали, укупна запремина пластичног отпада ојачаног угљеничним влакнима је значајна, посебно пошто се индустрија угљеничних влакана брзо шири; тако се повећава и одговарајући отпад од угљеничних влакана. Тренутно се већина отпада од термореактивних композита од угљеничних влакана одлаже на депонију. Насупрот томе, термопластични композити од угљеничних влакана имају бољу могућност рециклирања. Ако повезане компаније преузму одговорност и спроводе се одговарајући закони и прописи, то може ефикасно да ублажи тренутне изазове неефикасног управљања отпадом од угљеничних влакана. Ксинхонг Индустриал Цо., Лтд. верује да угљенична влакна и композити пружају практичност и вредност нашим животима, и иако имамо користи од њих, неопходно је да се фокусирамо на напоре рециклирања како бисмо заштитили животну средину, што заузврат штити континуитет цивилизације.
