Která průmyslová odvětví budou mít prospěch z budoucího nárůstu 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 a získaly si oblibu v různých oborech a odvětvích. To zahrnuje dřívější materiály jako sklolaminát, stejně jako dnešní uhlíková vlákna a aramidová vlákna. Tato vysoce výkonná vlákna lze kombinovat s různými matricovými materiály za účelem vytvoření kompozitních materiálů, které jsou tvarově stabilnější, mají lepší výkon a nabízejí efektivnější zpracování. Tento článek pojednává o aktuálně populárních kompozitech z termoplastických uhlíkových vláken. V současnosti je však globální výrobní kapacita pro tento typ kompozitního materiálu nedostatečná. K dosažení diverzifikovaných aplikací je naléhavým problémem, který je třeba řešit, zvýšení technologické úrovně a výrobní kapacity. Za předpokladu, že v budoucnu dojde k průlomu v oblasti technologických překážek, která průmyslová odvětví by těžila z nárůstu výrobní kapacity termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken?
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 nabízejí lepší tuhost. Určité kompozity z termoplastických uhlíkových vláken však převyšují své termosetové protějšky, pokud jde o výkon, jako jsou kompozity z polyetheretherketonu (CF/PEEK) vyztužené kontinuálním uhlíkovým vláknem. Ve skutečnosti výhody termoplastických uhlíkových vláken přesahují mechanické vlastnosti; prokazují také výhody v aspektech, jako je příprava, zpracování a recyklace.
Díky rychlému zpracování a recyklovatelnosti termoplastických materiálů se termoplastické kompozity vyztužené vlákny stále více používají v leteckém, automobilovém, stavebním a chemickém průmyslu. Schopnost tavit termoplastické materiály a jejich vlákny vyztužené kompozity umožňuje repasování součástí na nové produkty, což je značná výhoda ve srovnání s termosetovými polymery a jejich vlákny vyztuženými kompozity. Avšak v důsledku špatné mezifázové adheze mezi uhlíkovými vlákny a termoplastickou matricí byly použity různé povrchové úpravy, jako jsou chemické, plazmové a elektrochemické metody, k zavedení povrchových funkčních skupin a zlepšení mezifázové vazby. Prostřednictvím výrobních procesů, jako je vstřikování, lisování a vytlačování, byly termoplastické kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny vyrobeny do různých lehkých součástí, které vykazují vysokou odolnost proti nárazu, opravitelnost a recyklovatelnost.
Zatímco termoplastické kompozity z uhlíkových vláken a jejich odpovídající komponenty mají ze své podstaty výhody, mají také určitá omezení, jako je nízké napětí v tahu u jednosměrných pásek z uhlíkových vláken a negativní vliv zbytkových rozpouštědel na konečný výkon. Hybridní tenké vrstvy, úhly a struktury vlnité vrstvy byly kromě jiných přístupů použity k prodloužení deformace při porušení tahem. Než tato technologie dospěje, bude rozšířená aplikace termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken vyžadovat značný výzkum a experimentování.
Jaké jsou v současnosti slibné aplikační směry pro termoplastická uhlíková vlákna?
Výzkum termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken pokračuje, ale v současnosti naráží na překážky. Vysokoteplotní roztavený stav termoplastických pryskyřic nemůže účinně smáčet svazky uhlíkových vláken, což vede k nerovnoměrné distribuci v připravených termoplastických prepregech z uhlíkových vláken a významně snižuje úroveň výkonu. Navíc následné zpracování termoplastických prepregů z uhlíkových vláken také naráží na různé problémy. Pouze řešením 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, trimovací lišty a kormidla. Plasty vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) vykazují 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 těchto materiálů v hlavních leteckých konstrukcích, jako jsou trupy, vertikální stabilizátory, ocasní plochy a křídla, které nahrazují tradiční lehké kovové slitiny. Termoplastická uhlíková vlákna mohou nahradit některá termosetová uhlíková vlákna a poskytují těmto součástem lepší výkon.
2.Větrná 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 větrné energie vzrostla o 53 %, což je celkem 93 gigawattů. U lopatek větrných turbín má uhlíkové vlákno oproti skelnému vláknu výraznou výhodu, nabízí vyšší specifický modul v tahu, vyšší specifickou pevnost v tahu a lepší odolnost 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 použít v rostoucích zařízeních pro větrnou energii sektor.
3.Výroba automobilů: V posledním desetiletí přiměly tento průmysl přísnější globální automobilové emisní normy a rychlý růst elektrických vozidel k opětovnému zavedení uhlíkových vláken za účelem snížení hmotnosti. Použití lehkých materiálů, jako jsou kompozity CFRP v automobilových konstrukcích, je nejpřímější metodou pro dosažení snížení hmotnosti. Spotřeba uhlíkových vláken zaznamenala v roce 2013 výrazný nárůst s pokračujícím rostoucím trendem. V roce 2021 byla poptávka po uhlíkových vláknech 9,5 tuny a očekává se, že do roku 2024 překročí 12,6 tuny. Čína je největším výrobním centrem pro elektrická vozidla a také největším koncovým trhem. Použití termoplastických uhlíkových vláken v automobilech může poskytnout silnější akceleraci a zároveň nabídnout 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. Vzhledem k vynikající odolnosti proti únavě kompozitů z uhlíkových vláken může životnost tlakových nádob z kompozitu typu III a typu IV z CFRP kompozitu dosáhnout až 30 let. Celokarbonová kompozitní bezvložková nádrž typu V byla poprvé vyrobena v roce 2012 pro skladování argonu v satelitních komponentech. Jednou z aplikací termoplastických kompozitních jednosměrných pásek z uhlíkových vláken je výroba tlakových nádob, které mají velký tržní potenciál pro budoucí skladování vysokotlakého vodíku, argonu a dalších plynů.
5.Sport: Mezi klíčové 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 trvale rostoucí trend. V roce 2021 dosáhlo množství uhlíkových vláken používaných ve sportu impozantních 18,5 tuny. Největší spotřebu uhlíkových vláken představují 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 posune soutěžní sporty na nové limity, zatímco zlepšení výrobní kapacity bude i nadále snižovat ceny tohoto sportovního zboží, čímž se stane dostupnější v každodenním životě.
Recyklace vyřazených produktů z uhlíkových vláken je naléhavá a proces implementace potřebuje zlepšení.
Nárůst výrobní kapacity termoplastických kompozitů z uhlíkových vláken může skutečně řídit rychlý rozvoj v průmyslu uhlíkových vláken a podporovat pokrok v letectví, větrné energii, automobilové výrobě, tlakových nádobách a dalších odvětvích. Bude však také čelit významné výzvě: jak efektivně recyklovat poškozené nebo vyřazené produkty z termoplastických uhlíkových vláken. Při současné nízké kapacitě výroby kompozitů a produktů z termoplastických uhlíkových vláken se předpokládá, že do roku 2025 by výrobní proces mohl vyprodukovat 20000 tun odpadu a šrotových dílů ročně. Pokud se v budoucnu výrazně zvýší výrobní kapacita, podstatně vzroste i objem tohoto odpadu.
Od surovin až po hotové výrobky, proces výroby kompozitů vytváří velké množství odpadu, včetně suchých vláken/tkanisek, vytvrzených nebo nevytvrzených prepregů, odřezků, zkušebních vzorků a neschválených produktů. Průměrná míra zmetkovitosti výroby kompozitu z uhlíkových vláken je přibližně 32,4 %. V závislosti na výrobních procesech nebo aplikačních oblastech mají tradiční výrobní metody, jako jsou autoklávové procesy v letectví, míru zmetkovitosti přesahující 50 %, zatímco ruční výroba sportovního zboží má míru zmetkovitosti od 4 % do 8 %. U modernějších procesů výroby kompozitů se míra zmetkovitosti pohybuje mezi 30 % a 50 % u lisovacích a kompozitních procesů, 5 % až 10 % u procesů pultruze a 2 % až 3 % u procesů navíjení vláken.
