Koje će industrije imati koristi od budućeg porasta proizvodnih kapaciteta termoplastičnih karbonskih vlakana?
Razvoj industrije materijala ima istoriju dugu preko stotinu godina, tokom koje su se pojavili novi materijali koji se odlikuju laganom težinom, velikom čvrstoćom i krutošću i stekli popularnost u različitim oblastima i industrijama. Ovo uključuje ranije materijale poput stakloplastike, kao i današnja karbonska i aramidna vlakna. Ova vlakna visokih performansi mogu se kombinovati sa različitim matričnim materijalima kako bi se stvorili kompozitni materijali koji su stabilnijeg oblika, imaju bolje performanse i nude efikasniju obradu. Ovaj članak govori o trenutno popularnim termoplastičnim kompozitima od karbonskih vlakana. Međutim, do sada, globalni proizvodni kapaciteti za ovu vrstu kompozitnog materijala i dalje su oskudni. Da bi se postigla raznovrsna primjena, poboljšanje tehnološkog nivoa i proizvodnih kapaciteta je hitno pitanje koje treba riješiti. Pod pretpostavkom da dođe do budućih otkrića u tehnološkim uskim grlima, koje industrije bi imale koristi od povećanja proizvodnih kapaciteta termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana?
Značaj i ograničenja termoplastičnih karbonskih kompozita
Termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana se često uspoređuju sa termoreaktivnim kompozitima od karbonskih vlakana, kompozitima od stakloplastike i kompozitima aramidnih vlakana. Neke studije sugeriraju da termoreaktivni kompoziti od karbonskih vlakana pokazuju veću krutost, dok kompoziti od aramidnih vlakana nude bolju žilavost. Međutim, određeni termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana nadmašuju svoje termoreaktivne kolege u pogledu performansi, kao što su kontinualni kompoziti polieter eter ketona (CF/PEEK) ojačani karbonskim vlaknima. U stvari, prednosti termoplastičnih karbonskih vlakana sežu dalje od mehaničkih svojstava; oni također pokazuju prednosti u aspektima kao što su priprema, prerada i recikliranje.
Zbog brze prerade i mogućnosti recikliranja termoplastičnih materijala, termoplastični kompoziti ojačani vlaknima se sve više koriste u zrakoplovnoj, automobilskoj, građevinskoj i kemijskoj industriji. Sposobnost topljenja termoplastičnih materijala i njihovih kompozita ojačanih vlaknima omogućava ponovnu proizvodnju komponenti u nove proizvode, što je značajna prednost u odnosu na termoreaktivne polimere i njihove kompozite ojačane vlaknima. Međutim, zbog loše međufazne adhezije između karbonskih vlakana i termoplastične matrice, korišćeni su različiti površinski tretmani, kao što su hemijske, plazma i elektrohemijske metode, da bi se uvele površinske funkcionalne grupe i poboljšale međufazne veze. Kroz proizvodne procese kao što su brizganje, kompresijsko prešanje i ekstruzija, termoplastični kompoziti ojačani karbonskim vlaknima proizvedeni su u različite lake komponente koje pokazuju visoku otpornost na udar, popravljivost i mogućnost recikliranja.
Dok termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana i njihove odgovarajuće komponente inherentno posjeduju prednosti, oni također imaju određena ograničenja, kao što su niska vlačna deformacija u jednosmjernim trakama od karbonskih vlakana i negativan utjecaj zaostalih otapala na konačni učinak. Hibridni tanki slojevi, uglovi i strukture valovitog sloja korišteni su za proširenje vlačne deformacije, između ostalih pristupa. Prije nego što tehnologija sazrije, široka primjena termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana zahtijevat će značajna istraživanja i eksperimente.
Koji su smjerovi primjene termoplastičnih karbonskih vlakana koji obećavaju trenutno?
Istraživanja o termoplastičnim kompozitima od karbonskih vlakana su u toku, ali se trenutno suočavaju s uskim grlima. Visokotemperaturno otopljeno stanje termoplastičnih smola ne može efikasno navlažiti snopove karbonskih vlakana, što dovodi do neravnomjerne raspodjele unutar pripremljenih termoplastičnih preprega od karbonskih vlakana i značajno smanjuje nivoe performansi. Uz to, naknadna obrada termoplastičnih preprega od karbonskih vlakana također se susreće s raznim izazovima. Samo rješavanjem ovih problema više industrija može imati koristi od ovih materijala.
1. Vazduhoplovstvo: Upotreba kompozita od karbonskih vlakana u avionima počela je sa pomoćnim strukturama kao što su eleroni, trim jezičci i kormila. Plastika ojačana karbonskim vlaknima (CFRP) pokazuje izvrsna mehanička svojstva, uključujući visoke omjere čvrstoće i težine i visoke omjere krutosti i težine. Sa napretkom u tehnologiji, performanse vlakana i matrica su značajno poboljšane, poboljšavajući performanse laminata i omogućavajući da se ovi materijali koriste u glavnim strukturama aviona kao što su trupovi, vertikalni stabilizatori, stražnji sanduci i krila, zamjenjujući tradicionalne lake metalne legure. Termoplastična karbonska vlakna mogu zamijeniti neka termoreaktivna karbonska vlakna, pružajući bolje performanse za ove komponente.
2. Wind Power: Prema Globalnom vijeću za energiju vjetra, ukupni instalirani kapacitet vjetroelektrane širom svijeta dostigao je približno 743 gigavata u 2020. godini, uz povećanje od 53% u novoinstalisanim kapacitetima vjetroelektrane, ukupno 93 gigavata. U lopaticama vjetroturbina, karbonska vlakna imaju izrazitu prednost u odnosu na stakloplastike, nudeći veći specifični zatezni modul, veću specifičnu vlačnu čvrstoću i bolju otpornost na zamor. Potrošnja karbonskih vlakana u strukturama vjetroturbina povećala se sa oko 800 tona u 2004. na preko 30 tona u 2021. godini, a očekuje se da će premašiti 81 tonu do 2025. Termoplastični kompoziti od karbonskih vlakana također se mogu široko primjenjivati u rastućoj opremi za energiju vjetra sektoru.
3. Automotive Manufacturing: Tokom protekle decenije, stroži globalni standardi za automobilske emisije i brzi rast električnih vozila naveli su industriju da ponovo uvede karbonska vlakna kako bi smanjila težinu. Upotreba lakih materijala kao što su CFRP kompoziti u automobilskim konstrukcijama je najdirektniji metod za postizanje smanjenja težine. Potrošnja karbonskih vlakana značajno je porasla u 2013. godini, uz kontinuirani trend rasta. U 2021. potražnja za karbonskim vlaknima iznosila je 9,5 tona, a očekuje se da će premašiti 12,6 tona do 2024. Kina je najveći proizvodni centar za električna vozila i ujedno najveće krajnje tržište. Primjena termoplastičnih karbonskih vlakana u automobilima može pružiti jače performanse ubrzanja, a istovremeno nudi bolju sigurnosnu zaštitu.
4. Posude pod pritiskom: Kontejneri za skladištenje gasa pod visokim pritiskom su jedno od najvećih i najbrže rastućih tržišta za napredne kompozite, posebno kompozite od ugljeničnih vlakana namotanih filamentima. Zbog odlične otpornosti na zamor kompozita od ugljičnih vlakana, vijek trajanja CFRP kompozitnih posuda pod pritiskom može doseći i do 30 godina. Kompozitni rezervoar tipa V od karbonskih vlakana bez košuljice prvi put je proizveden 2012. za skladištenje argona u satelitskim komponentama. Jedna primjena jednosmjernih kompozitnih traka od termoplastičnih karbonskih vlakana je proizvodnja posuda pod pritiskom, koje imaju veliki tržišni potencijal za buduće skladištenje vodonika, argona i drugih plinova pod visokim pritiskom.
5.Sport: Ključni proizvodi napravljeni od karbonskih vlakana uključuju palice za golf, štapove za pecanje i teniske rekete. Od 2010. godine upotreba karbonskih vlakana u opremi za sport i slobodno vrijeme pokazuje stalni trend rasta. 2021. godine količina karbonskih vlakana koja se koriste u sportu dostigla je impresivnih 18,5 tona. Golf palice i bicikli predstavljaju najveću potrošnju karbonskih vlakana, sa 27,6% odnosno 25,4% ukupne potrošnje. Očekuje se da će sportska oprema izrađena od termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana gurnuti konkurentski sport do novih granica, dok će poboljšanja proizvodnih kapaciteta nastaviti snižavati cijene ovih sportskih proizvoda, čineći ih dostupnijim u svakodnevnom životu.
Recikliranje odbačenih proizvoda od karbonskih vlakana je hitno, a proces implementacije treba poboljšati.
Povećanje proizvodnog kapaciteta termoplastičnih kompozita od karbonskih vlakana zaista može potaknuti brzi razvoj u industriji karbonskih vlakana i promovirati napredak u svemiru, energiji vjetra, proizvodnji automobila, posudama pod pritiskom i drugim sektorima. Međutim, suočit će se i sa značajnim izazovom: kako efikasno reciklirati oštećene ili odbačene proizvode od termoplastičnih karbonskih vlakana. Sa sadašnjim niskim proizvodnim kapacitetom termoplastičnih kompozita i proizvoda od karbonskih vlakana, predviđa se da bi do 2025. godine proizvodni proces mogao proizvesti 20,000 tona otpada i otpadnih dijelova godišnje. Ako se proizvodni kapaciteti značajno povećaju u budućnosti, količina ovog otpada će također značajno porasti.
Od sirovina do gotovih proizvoda, proces proizvodnje kompozita stvara veliku količinu otpada, uključujući suha vlakna/tkanine, osušene ili neosušene preprege, ukrase, ispitne uzorke i neodobrene proizvode. Prosječna stopa otpada za proizvodnju kompozita od karbonskih vlakana je približno 32,4%. Ovisno o proizvodnim procesima ili poljima primjene, tradicionalne metode proizvodnje kao što su procesi autoklava u zrakoplovstvu imaju stope otpada preko 50%, dok ručno izrađena proizvodnja sportske opreme ima stope otpada u rasponu od 4% do 8%. Za modernije procese proizvodnje kompozita, stope otpada su između 30% i 50% za procese oblikovanja i kompozita, 5% do 10% za procese pultruzije i 2% do 3% za procese namotavanja filamenta.
