Које ће индустрије имати користи од будућег пораста производних капацитета термопластичних угљеничних влакана?
Развој индустрије материјала има историју дугу преко стотину година, током које су се појавили нови материјали који се одликују лаганом тежином, великом чврстоћом и крутошћу и стекли популарност у различитим областима и индустријама. Ово укључује раније материјале попут фибергласа, као и данашња карбонска и арамидна влакна. Ова влакна високих перформанси могу се комбиновати са различитим матричним материјалима како би се створили композитни материјали који су стабилнијег облика, имају боље перформансе и нуде ефикаснију обраду. Овај чланак говори о тренутно популарним термопластичним композитима од угљеничних влакана. Међутим, до сада, глобални производни капацитети за ову врсту композитног материјала и даље су оскудни. Да би се постигла разноврсна примена, побољшање технолошког нивоа и производних капацитета је хитно питање које треба решити. Под претпоставком да дође до будућих открића у технолошким уским грлима, које индустрије би имале користи од повећања производних капацитета термопластичних композита од угљеничних влакана?
Значај и ограничења термопластичних композита од угљеничних влакана
Термопластични композити од угљеничних влакана се често упоређују са термореактивним композитима од угљеничних влакана, композитима од фибергласа и композитима од арамидних влакана. Неке студије сугеришу да термореактивни композити од угљеничних влакана показују већу крутост, док композити од арамидних влакана нуде бољу жилавост. Међутим, неки термопластични композити од угљеничних влакана надмашују своје термореактивне колеге у погледу перформанси, као што су континуални композити полиетар етар кетона (ЦФ/ПЕЕК) ојачани угљеничним влакнима. У ствари, предности термопластичних угљеничних влакана сежу даље од механичких својстава; они такође показују предности у аспектима као што су припрема, прерада и рециклажа.
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 поновну производњу компоненти у нове производе, што је значајна предност у поређењу са термореактивним полимерима и њиховим композитима ојачаним влакнима. Међутим, због лоше међуфазне адхезије између угљеничних влакана и термопластичне матрице, коришћени су различити површински третмани, као што су хемијске, плазма и електрохемијске методе за увођење површинских функционалних група и побољшање међуфазног везивања. Кроз производне процесе као што су бризгање, пресовање и екструзија, термопластични композити ојачани угљеничним влакнима произведени су у различите лаке компоненте које показују високу отпорност на удар, могућност поправке и могућност рециклирања.
Док термопластични композити од угљеничних влакана и њихове одговарајуће компоненте инхерентно поседују предности, они такође имају одређена ограничења, као што су ниска затезна деформација у једносмерним тракама од угљеничних влакана и негативан утицај заосталих растварача на коначни учинак. Хибридни танки слојеви, углови и структуре ребрастог слоја коришћени су за продужење затезног деформитета, између осталих приступа. Пре него што технологија сазре, распрострањена примена термопластичних композита од угљеничних влакана захтеваће значајно истраживање и експериментисање.
Који су тренутно обећавајући правци примене термопластичних угљеничних влакана?
Истраживања о термопластичним композитима од угљеничних влакана су у току, али се тренутно суочавају са уским грлима. Високотемпературно растопљено стање термопластичних смола не може ефикасно навлажити снопове угљеничних влакана, што доводи до неравномерне расподеле унутар припремљених термопластичних препрега од угљеничних влакана и значајно смањује нивое перформанси. Поред тога, накнадна обрада термопластичних препрега од угљеничних влакана такође наилази на различите изазове. Само решавањем ових питања 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 и кормила. Пластика ојачана карбонским влакнима (ЦФРП) 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 значајно побољшане, побољшавајући перформансе ламината и омогућавајући да се ови материјали користе у главним структурама авиона као што су трупови, вертикални стабилизатори, сандуци и крила, замењујући традиционалне лаке металне легуре. Термопластична угљенична влакна могу заменити нека термореактивна угљенична влакна, обезбеђујући боље перформансе за ове компоненте.
2. Винд Повер: Према Глобалном савету за енергију ветра, укупан инсталирани капацитет енергије ветра широм света достигао је приближно 743 гигавата у 2020. години, уз повећање од 53% у новоинсталисаним капацитетима ветроелектране, укупно 93 гигавата. У лопатицама ветротурбина, угљенична влакна имају изразиту предност у односу на фиберглас, нудећи 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 преко 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 опреми за енергију ветра. сектору.
3.Производња аутомобила: Током протекле деценије, строжи глобални стандарди за аутомобилске емисије и брзи раст електричних возила навели су индустрију да поново уведе угљенична влакна како би смањила тежину. Употреба лаких материјала попут ЦФРП композита у аутомобилским конструкцијама је најдиректнији метод за постизање смањења тежине. Потрошња угљеничних влакана је значајно порасла у 2013. години, уз континуирани тренд раста. У 2021. години потражња за угљеничним влакнима била је 9,5 тона, а очекује се да ће премашити 12,6 тона до 2024. Кина је највећи производни центар за електрична возила и уједно највеће крајње тржиште. Примена термопластичних угљеничних влакана у аутомобилима може да обезбеди јаче перформансе убрзања, а истовремено нуди и 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 одличне отпорности на замор композита од угљеничних влакана, радни век ЦФРП композитних посуда под притиском може да достигне и до 30 година. Композитни резервоар типа В од потпуно угљеничних влакана без кошуљице је први пут произведен 2012. за складиштење аргона у сателитским компонентама. Једна примена једносмерних композитних трака од термопластичних угљеничних влакана је производња посуда под притиском, које имају велики тржишни потенцијал за будуће складиштење водоника, аргона и других гасова под високим притиском.
5.Спорт: Кључни 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. 2021. године количина угљеничних влакана која се користе у спорту достигла је импресивних 18,5 тона. Голф палице и бицикли представљају највећу потрошњу карбонских влакана, са 27,6% и 25,4% укупне потрошње, респективно. Очекује се да ће спортска опрема направљена од термопластичних композита од угљеничних влакана гурнути такмичарски спорт до нових граница, док ће побољшања производних капацитета наставити да снижавају цене ових спортских производа, чинећи их доступнијим у свакодневном животу.
Рециклажа одбачених производа од угљеничних влакана је хитна, а процес имплементације треба побољшати.
Повећање производног капацитета термопластичних композита од угљеничних влакана заиста може покренути брзи развој у индустрији угљеничних влакана и промовисати напредак у ваздухопловству, енергији ветра, производњи аутомобила, посудама под притиском и другим секторима. Међутим, суочиће се и са значајним изазовом: како ефикасно рециклирати оштећене или одбачене производе од термопластичних угљеничних влакана. Са садашњим ниским производним капацитетом термопластичних композита и производа од угљеничних влакана, предвиђа се да би до 2025. производни процес могао да генерише 20,000 тона отпада и отпадних делова годишње. Ако се капацитет производње значајно повећа у будућности, количина овог отпада ће такође значајно порасти.
Од сировина до готових производа, процес производње композита ствара велику количину отпада, укључујући сува влакна/тканине, осушене или неосушене препреге, украсе, узорке за тестирање и неодобрене производе. Просечна стопа отпада за производњу композита од угљеничних влакана је приближно 32,4%. У зависности од производних процеса или области примене, традиционалне методе производње, као што су процеси аутоклава у ваздухопловству, имају стопу отпада која прелази 50%, док ручно израђена производња спортске опреме има стопе отпада у распону од 4% до 8%. За модерније процесе производње композита, стопе отпада су између 30% и 50% за процесе обликовања и композита, 5% до 10% за процесе пултрузије и 2% до 3% за процесе намотавања филамента.
