Pro která průmyslová odvětví bude přínosem budoucí exploze výrobní kapacity termoplastických uhlíkových vláken?
Vývoj materiálového průmyslu má více než stoletou historii, během níž se objevily nové materiály vyznačující se nízkou hmotností, vysokou pevností a tuhostí, které si získaly oblibu napříč různými obory a průmyslovými odvětvími. Od dřívějších skleněných vláken až po dnešní uhlíková vlákna a aramidová vlákna lze tato vysoce výkonná vlákna kombinovat s různými matricovými materiály za účelem vytvoření kompozitních materiálů, které jsou tvarově stabilnější, mají lepší výkon a umožňují efektivnější zpracování. Tento článek pojednává o současných trendech kompozitů z termoplastických uhlíkových vláken. V současnosti je však globální výrobní kapacita pro tento typ kompozitu nedostatečná. Aby bylo možné dosáhnout různorodých aplikací, je nezbytné řešit problémy zlepšování technologické úrovně a zvyšování limitů výrobní kapacity. Za předpokladu, že budoucí průlomy v technologických překážkách povedou k explozi výrobní kapacity termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken, která průmyslová odvětví by z toho měla prospěch?
Význam a omezení termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken
Kompozity z termoplastických uhlíkových vláken jsou často srovnávány s termosetovými kompozity z uhlíkových vláken, kompozity ze skleněných vláken a kompozity z aramidových vláken. Některé studie naznačují, že termosetové kompozity z uhlíkových vláken vykazují vyšší tuhost, zatímco kompozity z aramidových vláken mají lepší tuhost. Nicméně určité termoplastické kompozity z uhlíkových vláken, jako je kontinuální uhlíkovými vlákny vyztužený polyetheretherketon (CF/PEEK), vykazují vynikající výkon ve srovnání s jejich termosetovými protějšky.
Ve skutečnosti výhody termoplastických uhlíkových vláken přesahují mechanické vlastnosti. Přinášejí také výhody z hlediska přípravy, zpracování a recyklace.
Vzhledem k rychlému zpracování a recyklovatelnosti termoplastických materiálů se termoplastické kompozity vyztužené vlákny stále více používají v leteckém, automobilovém, stavebním a chemickém průmyslu. Schopnost roztavit termoplastické materiály a jejich kompozity vyztužené vlákny umožňuje přetvořit vyrobené díly na nové produkty, což je značná výhoda oproti termosetovým polymerům a jejich kompozitům vyztuženým vlákny.
Avšak kvůli špatné mezifázové adhezi mezi uhlíkovými vlákny a termoplastickými matricemi byly použity různé povrchové úpravy, jako jsou chemické, plazmové a elektrochemické metody, aby se zavedly povrchové funkční skupiny a zlepšily se mezifázové vazby. Termoplastické kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny byly vyrobeny do různých lehkých součástí s vysokou odolností proti nárazu, opravitelností a recyklovatelností prostřednictvím výrobních procesů, jako je vstřikování, lisování a vytlačování.
Zatímco kompozity z termoplastických uhlíkových vláken a jejich odpovídající komponenty mají ze své podstaty výhody, narážejí také na určitá omezení. Jednosměrné kompozity z termoplastických uhlíkových vláken například vykazují nízké napětí v tahu a přítomnost zbytkových rozpouštědel může negativně ovlivnit konečný výkon. Pro prodloužení deformace při porušení tahem byly použity hybridní tenké vrstvy, hranaté vrstvy a vlnité vrstvené sendvičové struktury. Než tato technologie dospěje, bude rozšířená aplikace termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken vyžadovat rozsáhlý výzkum a experimentování.
Jaké jsou slibné aplikační pokyny pro termoplastické uhlíkové vlákno?
Výzkum termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken pokračuje, ale v současné době čelí určitým překážkám. Vysokoteplotní roztavený stav termoplastických pryskyřic nemůže účinně smáčet svazky uhlíkových vláken, což vede k nerovnoměrnému rozložení ve vyrobeném termoplastickém prepregu z uhlíkových vláken a výrazně snižuje úroveň výkonu. Navíc následné zpracování termoplastických prepregů z uhlíkových vláken také naráží na mnoho problémů. Pouze vyřešením těchto problémů může z těchto materiálů těžit více průmyslových odvětví.
1.Letecký a kosmický průmysl: Použití kompozitů z uhlíkových vláken v letadlech začalo pomocnými konstrukcemi, jako jsou křidélka, výškovky a kormidla. CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) vykazuje vynikající mechanické vlastnosti, včetně vysokého poměru pevnosti k hmotnosti a vysokého poměru tuhosti k hmotnosti. S pokrokem v technologii se výrazně zlepšila výkonnost vláken a matric, čímž se zlepšila výkonnost laminátů a umožnilo se použití tohoto materiálu na hlavní letecké konstrukce, jako jsou trupy, svislé ocasní plochy, ocasní plochy a křídla, čímž byly nahrazeny tradiční lehké kovové slitiny. Termoplastická uhlíková vlákna mohou nahradit některá termosetová uhlíková vlákna a poskytují v těchto součástech lepší výkon.
2. Výroba větrné energie: Podle Globální rady pro větrnou energii dosáhla celková instalovaná kapacita větrné energie po celém světě v roce 2020 přibližně 743 gigawattů, přičemž nově instalovaná kapacita vzrostla o 53 % na celkových 93 gigawattů. U lopatek větrných turbín má uhlíková vlákna oproti skleněným vláknům významné výhody, včetně vyššího specifického modulu v tahu, vyšší specifické pevnosti v tahu a lepší odolnosti proti únavě. Spotřeba uhlíkových vláken v konstrukcích větrných turbín se zvýšila z přibližně 800 tun v roce 2004 na více než 30 tun v roce 2021 a očekává se, že do roku 2025 překročí 81 tun. Termoplastické kompozity s uhlíkovými vlákny lze také široce uplatnit v rostoucí větrné energii sektor zařízení.
3.Výroba automobilů: Přísnější automobilové emisní normy a rychlý růst elektrických vozidel v posledním desetiletí přiměly průmysl k opětovnému použití uhlíkových vláken ke snížení hmotnosti. Použití lehkých materiálů, jako jsou kompozity CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) v automobilových konstrukcích, je nejpřímější metodou pro snížení hmotnosti. Spotřeba uhlíkových vláken zaznamenala v roce 2013 výrazný růst a pokračovala ve vzestupném trendu. V roce 2021 dosáhla poptávka po uhlíkových vláknech 9,5 tuny a očekává se, že do roku 2024 překročí 12,6 tuny. Čína je celosvětově největším výrobcem a konečným trhem pro elektrická vozidla a aplikace termoplastických uhlíkových vláken v automobilech může poskytnout silnější akcelerační výkon a zároveň nabízí lepší bezpečnostní ochranu.
4.Tlakové nádoby: Vysokotlaké zásobníky plynu jsou jedním z největších a nejrychleji rostoucích trhů pro pokročilé kompozity, zejména kompozity z uhlíkových vláken s vinutými vlákny. Díky vynikajícímu únavovému výkonu kompozitů z uhlíkových vláken může životnost tlakových nádob typu III a IV z kompozitu CFRP dosáhnout až 30 let. Nádrže typu V z celokarbonových kompozitních vložek bez vložky byly poprvé vyrobeny v roce 2012 pro skladování argonu v satelitních komponentách. Jednou aplikací termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken v jednosměrných páskách je výroba tlakových nádob se slibným tržním potenciálem pro skladování vysokotlakého vodíku, argonu a dalších plynů v budoucnu.
5. Sportovní vybavení: Mezi hlavní produkty vyrobené z uhlíkových vláken patří golfové hole, rybářské pruty a tenisové rakety. Od roku 2010 vykazuje používání uhlíkových vláken ve sportovním a rekreačním vybavení trvalý růstový trend. V roce 2021 dosáhlo množství uhlíkových vláken používaných ve sportu impozantních 18,5 tuny. Největší spotřebitelskou oblastí uhlíkových vláken jsou golfové hole a jízdní kola, které představují 27,6 % a 25,4 % celkové spotřeby. Očekává se, že sportovní zboží vyrobené z termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken povýší soutěžní sporty do nových výšin. S rostoucí výrobní kapacitou ceny těchto druhů sportovního zboží nadále klesají a jsou tak dostupnější v každodenním životě.
Recyklace vyřazených produktů z uhlíkových vláken je naléhavá a její implementace vyžaduje zlepšení
Zlepšení výrobní kapacity pro termoplastické kompozity z uhlíkových vláken může skutečně řídit rychlý rozvoj v průmyslu uhlíkových vláken a pokrokových sektorech, jako je letecký průmysl, výroba větrné energie, výroba automobilů a tlakové nádoby. Vyvstává však také naléhavá otázka: jak efektivně recyklovat poškozené a vyřazené produkty z termoplastických uhlíkových vláken. Při současné nízké kapacitě výroby kompozitů a produktů z termoplastických uhlíkových vláken se odhaduje, že do roku 2025 může výrobní proces vyprodukovat přibližně 20,000 tun odpadu a vyřazených dílů ročně. Pokud se výrobní kapacita v budoucnu výrazně zvýší, podstatně vzroste i množství odpadu.
Během výrobního procesu od surovin až po hotové výrobky vzniká velké množství odpadu, včetně suchých vláken/tkanin, vytvrzených nebo nevytvrzených prepregů, odřezků, zkušebních vzorků a neschválených výrobků. Průměrná míra zmetkovitosti výroby kompozitu z uhlíkových vláken je přibližně 32,4 %. V závislosti na výrobním procesu nebo aplikaci mají tradiční výrobní metody, jako je výroba v autoklávu v letectví a procesy RTM, míru zmetkovitosti přesahující 50 %, zatímco u ručně vyráběného sportovního zboží je míra zmetkovosti 4-8 %. U modernějších kompozitních výrobních procesů vedou lisování a kompozitní techniky zmetkovitost 30-50 %, pultruze má míru 5-10 % a procesy navíjení vláken mají míru 2-3 %. Vzhledem k tomu, že výrobní procesy pokračují ve zralosti, očekává se, že míra zmetkovitosti bude klesat.
Ačkoli je toto procento malé, celkový objem plastového odpadu vyztuženého uhlíkovými vlákny je významný, zvláště když průmysl uhlíkových vláken rychle expanduje; takže se také zvyšuje odpovídající odpad z uhlíkových vláken. V současné době se většina odpadu z termosetových kompozitů z uhlíkových vláken likviduje skládkováním. Naproti tomu termoplastické kompozity z uhlíkových vláken mají lepší recyklovatelnost. Pokud se vedení ujmou spřízněné společnosti a budou prosazovány příslušné zákony a předpisy, může to účinně zmírnit současné problémy neefektivního nakládání s odpady z uhlíkových vláken. Společnost Xinhong Industrial Co., Ltd. věří, že uhlíková vlákna a kompozity poskytují pohodlí a hodnotu pro naše životy, a přestože z nich těžíme, je nezbytné zaměřit se na recyklační úsilí k ochraně životního prostředí, které zase chrání kontinuitu civilizace.
