Бъдещата експлозия в производствения капацитет на термопластичните въглеродни влакна ще бъде от полза за кои индустрии?
Развитието на индустрията за материали има история, обхващаща повече от век, през който се появяват нови материали, характеризиращи се с леко тегло, висока якост и твърдост, набирайки популярност в различни области и индустрии. От по-ранните стъклени влакна до днешните въглеродни влакна и арамидни влакна, тези високопроизводителни влакна могат да се комбинират с различни матрични материали за създаване на композитни материали, които са по-стабилни по форма, притежават подобрена производителност и позволяват по-ефективна обработка. Тази статия обсъжда модерните в момента термопластични композитни материали от въглеродни влакна. Към момента обаче глобалният производствен капацитет за този тип композит остава оскъден. За постигане на разнообразни приложения е от съществено значение да се отговори на предизвикателствата на подобряването на технологичните нива и увеличаването на ограниченията на производствения капацитет. Ако приемем, че бъдещите пробиви в технологичните затруднения ще доведат до експлозия в производствения капацитет на композитни материали от термопластични въглеродни влакна, кои индустрии ще имат полза?
Значение и ограничения на термопластичните композити от въглеродни влакна
Термопластичните композити от въглеродни влакна често се сравняват с композити от термореактивни въглеродни влакна, композити от стъклени влакна и композити от арамидни влакна. Някои проучвания показват, че композитите от термореактивни въглеродни влакна показват по-висока твърдост, докато композитите от арамидни влакна притежават по-добра издръжливост. Въпреки това, някои термопластични композитни материали от въглеродни влакна, като например подсилен с непрекъснати въглеродни влакна полиетер етер кетон (CF/PEEK), демонстрират превъзходна производителност в сравнение с техните термореактивни аналогове.
Всъщност предимствата на термопластичните въглеродни влакна се простират отвъд механичните свойства. Те също така предоставят предимства по отношение на подготовката, обработката и рециклирането.
Поради бързата обработка и рециклируемостта на термопластичните материали, подсилените с влакна термопластични композити се използват все повече в космическата, автомобилната, строителната и химическата промишленост. Способността за топене на термопластични материали и техните подсилени с влакна композити позволява произведените части да бъдат преформатирани в нови продукти, което е значително предимство пред термореактивните полимери и техните подсилени с влакна композити.
Въпреки това, поради лошата междинна адхезия между въглеродни влакна и термопластични матрици, различни повърхностни обработки, като химически, плазмени и електрохимични методи, са приложени за въвеждане на повърхностни функционални групи и подобряване на междуфазното свързване. Термопластичните композити, подсилени с въглеродни влакна, са произведени в различни леки компоненти с висока устойчивост на удар, възможност за ремонт и рециклиране чрез производствени процеси като леене под налягане, формоване под налягане и екструдиране.
Докато композитите от термопластични въглеродни влакна и съответните им компоненти по своята същност притежават предимства, те също са изправени пред определени ограничения. Например еднопосочните композити от термопластични въглеродни влакна показват ниска деформация на опън и наличието на остатъчни разтворители може да повлияе отрицателно на крайната производителност. За да се удължи напрежението на разрушаване при опън, са използвани хибридни тънки слоеве, ъглови слоеве и сандвич структури от гофриран слой. Преди технологията да узрее, широкото приложение на композити от термопластични въглеродни влакна ще изисква обширни изследвания и експерименти.
Какви са обещаващите насоки за приложение на термопластичните въглеродни влакна?
Изследванията върху композитите от термопластични въглеродни влакна продължават, но в момента са изправени пред определени пречки. Високотемпературното стопено състояние на термопластичните смоли не може ефективно да намокри снопове от въглеродни влакна, което води до неравномерно разпределение в рамките на произведения термопластичен препрег от въглеродни влакна и значително понижаване на нивата на производителност. Освен това, последващата обработка на предварително импрегнирани термопластични въглеродни влакна също среща много предизвикателства. Само чрез разрешаването на тези проблеми повече индустрии могат да се възползват от тези материали.
1. Аерокосмически: Използването на композитни материали от въглеродни влакна в самолетите започва със спомагателни конструкции като елерони, тапицерии на асансьора и кормила. CFRP (Полимер, подсилен с въглеродни влакна) показва отлични механични свойства, включително високо съотношение якост към тегло и високо съотношение твърдост към тегло. С напредъка в технологиите, производителността на влакната и матриците значително се подобри, подобрявайки производителността на ламинатите и позволявайки този материал да бъде приложен към основни конструкции на самолети като фюзелажи, вертикални опашки, опашни кутии и крила, заменяйки традиционните леки метални сплави. Термопластичните въглеродни влакна могат да заменят някои термореактивни въглеродни влакна, осигурявайки по-добра производителност на тези компоненти.
2.Производство на вятърна енергия: Според Глобалния съвет за вятърна енергия общият инсталиран капацитет на вятърна енергия в световен мащаб е достигнал приблизително 743 гигавата през 2020 г., с увеличение от 53% на новоинсталирания капацитет, възлизащ на общо 93 гигавата. В лопатките на вятърните турбини въглеродните влакна имат значителни предимства пред стъклените влакна, включително по-висок специфичен модул на опън, по-висока специфична якост на опън и по-добра устойчивост на умора. Потреблението на въглеродни влакна в конструкциите на вятърни турбини се е увеличило от около 800 тона през 2004 г. до повече от 30 тона през 2021 г. и се очаква да надхвърли 81 тона до 2025 г. Термопластичните композити от въглеродни влакна могат също да бъдат широко приложени в нарастващата вятърна енергия сектор оборудване.
3. Производство на автомобили: През последното десетилетие по-строгите стандарти за автомобилните емисии и бързият растеж на електрическите превозни средства подтикнаха индустрията да използва повторно въглеродни влакна за намаляване на теглото. Използването на леки материали като CFRP (полимер, подсилен с въглеродни влакна) композити в автомобилните конструкции е най-директният метод за намаляване на теглото. През 2013 г. потреблението на въглеродни влакна отбеляза значителен ръст, продължавайки възходящата тенденция. През 2021 г. търсенето на въглеродни влакна достигна 9,5 тона и се очаква да надхвърли 12,6 тона до 2024 г. Китай е най-големият производител и краен пазар за електрически превозни средства в световен мащаб, а прилагането на термопластични въглеродни влакна в автомобилите може да осигури по-добро ускорение, като същевременно предлагащи по-добра защита на безопасността.
4. Съдове под налягане: Контейнерите за съхранение на газ под високо налягане са един от най-големите и най-бързо развиващи се пазари за усъвършенствани композитни материали, особено композитни материали от навити нишки от въглеродни влакна. Благодарение на отличните характеристики на умора на композитите от въглеродни влакна, продължителността на живота на композитни съдове под налягане тип III и IV CFRP може да достигне до 30 години. Композитните резервоари тип V от изцяло въглеродни влакна без облицовка бяха произведени за първи път през 2012 г. за съхранение на аргон в сателитни компоненти. Едно приложение на композити от термопластични въглеродни влакна в еднопосочни ленти е в производството на съдове под налягане, с обещаващ пазарен потенциал за съхранение на водород под високо налягане, аргон и други газове в бъдеще.
5. Спортна екипировка: Основните продукти, произведени от въглеродни влакна, включват стикове за голф, въдици и тенис ракети. От 2010 г. насам използването на въглеродни влакна в оборудването за спорт и развлечение показва постоянна тенденция на растеж. През 2021 г. количеството въглеродни влакна, използвани в спорта, достигна внушителните 18,5 тона. Голф стикове и велосипеди са най-големите потребители на въглеродни влакна, представляващи съответно 27,6% и 25,4% от общото потребление. Очаква се спортните стоки, изработени от термопластични композити от въглеродни влакна, да издигнат състезателния спорт до нови висоти. С нарастването на производствения капацитет цените на тези видове спортни стоки продължават да намаляват, което ги прави по-достъпни в ежедневието.
Рециклирането на изхвърлени продукти от въглеродни влакна е спешно и внедряването се нуждае от подобрение
Подобряването на производствения капацитет за композити от термопластични въглеродни влакна може наистина да стимулира бързото развитие в индустрията с въглеродни влакна и да развие сектори като аерокосмическата промишленост, производството на вятърна енергия, автомобилостроенето и съдовете под налягане. Но също така повдига спешен въпрос: как ефективно да се рециклират повредени и изхвърлени термопластични продукти от въглеродни влакна. При сегашния нисък производствен капацитет на термопластични композитни материали и продукти от въглеродни влакна се изчислява, че до 2025 г. производственият процес може да генерира около 20 000 тона отпадъци и части за скрап годишно. Ако производственият капацитет се увеличи значително в бъдеще, количеството на отпадъците също ще нарасне значително.
По време на производствения процес от суровините до готовите продукти се генерира голямо количество отпадъци, включително сухи влакна/тъкани, втвърдени или невтвърдени препреги, изрезки, пробни проби и неодобрени продукти. Средният процент на скрап при производството на композит от въглеродни влакна е приблизително 32,4%. В зависимост от производствения процес или приложение, традиционните производствени методи, като например автоклавно производство в авиокосмическата промишленост и RTM процесите, имат нива на скрап над 50%, докато ръчно произведените спортни стоки имат проценти на скрап от 4-8%. За по-модерни процеси на производство на композитни материали, формоването и композитните техники дават процент на скрап от 30-50%, пултрузията има процент от 5-10%, а процесите на намотаване на нишки имат процент от 2-3%. Тъй като производствените процеси продължават да се развиват, процентът на скрап се очаква да намалее.
Въпреки че процентът е малък, общият обем на пластмасовите отпадъци, подсилени с въглеродни влакна, е значителен, особено след като индустрията за въглеродни влакна бързо се разраства; по този начин съответните отпадъци от въглеродни влакна също се увеличават. Понастоящем повечето отпадъци от термореактивни композити от въглеродни влакна се изхвърлят чрез депониране. За разлика от тях термопластичните композити от въглеродни влакна имат по-добра рециклируемост. Ако свързани компании поемат отговорността и се прилагат подходящи закони и разпоредби, това може ефективно да облекчи настоящите предизвикателства на неефективното управление на отпадъците от въглеродни влакна. Xinhong Industrial Co., Ltd. вярва, че въглеродните влакна и композитите осигуряват удобство и стойност за живота ни и макар да се възползваме от тях, от съществено значение е да се съсредоточим върху усилията за рециклиране, за да защитим околната среда, което от своя страна защитава приемствеността на цивилизацията.
