La futura explosió de la capacitat de producció de fibra de carboni termoplàstica beneficiarà a quines indústries?
El desenvolupament de la indústria dels materials té una història que abasta més d'un segle, durant el qual han sorgit nous materials caracteritzats per un pes lleuger, una gran resistència i una rigidesa, guanyant popularitat en diversos camps i indústries. Des de les fibres de vidre anteriors fins a les fibres de carboni i les fibres d'aramida actuals, aquestes fibres d'alt rendiment es poden combinar amb diferents materials de matriu per crear materials compostos que tenen una forma més estable, tenen un rendiment millorat i permeten un processament més eficient. Aquest article analitza els compostos de fibra de carboni termoplàstics de tendència actualment. No obstant això, a hores d'ara, la capacitat de producció global d'aquest tipus de compostos segueix sent escassa. Per aconseguir aplicacions diverses, és fonamental abordar els reptes de millorar els nivells tecnològics i augmentar els límits de capacitat de producció. Suposant que els futurs avenços en els colls d'ampolla tecnològics condueixin a una explosió en la capacitat de producció de compostos termoplàstics de fibra de carboni, quines indústries es beneficiaran?
Importància i limitacions dels compostos termoplàstics de fibra de carboni
Els compostos termoplàstics de fibra de carboni sovint es comparen amb els compostos de fibra de carboni termoestables, els compostos de fibra de vidre i els compostos de fibra d'aramida. Alguns estudis suggereixen que els compostos de fibra de carboni termoestables presenten una rigidesa més alta, mentre que els compostos de fibra d'aramida tenen una millor duresa. Tanmateix, certs compostos termoplàstics de fibra de carboni, com ara polièter etèter cetona reforçat amb fibra de carboni contínua (CF/PEEK), demostren un rendiment superior en comparació amb els seus homòlegs termoestables.
De fet, els avantatges de les fibres de carboni termoplàstiques s'estenen més enllà de les propietats mecàniques. També presenten beneficis pel que fa a la preparació, el processament i el reciclatge.
A causa del ràpid processament i reciclabilitat dels materials termoplàstics, els compostos termoplàstics reforçats amb fibra s'utilitzen cada cop més a les indústries aeroespacial, de l'automoció, de la construcció i de la química. La capacitat de fondre materials termoplàstics i els seus compostos reforçats amb fibra permet que les peces fabricades es reformin en nous productes, la qual cosa és un avantatge significatiu respecte als polímers termoestables i els seus compostos reforçats amb fibra.
Tanmateix, a causa de la mala adhesió interfacial entre les fibres de carboni i les matrius termoplàstiques, s'han aplicat diversos tractaments superficials, com ara mètodes químics, de plasma i electroquímics, per introduir grups funcionals superficials i millorar l'enllaç interfacial. Els compostos termoplàstics reforçats amb fibra de carboni s'han fabricat en diversos components lleugers amb alta resistència a l'impacte, reparabilitat i reciclabilitat mitjançant processos de fabricació com ara el modelat per injecció, el modelat per compressió i l'extrusió.
Tot i que els compostos termoplàstics de fibra de carboni i els seus components corresponents tenen avantatges inherents, també s'enfronten a certes limitacions. Per exemple, els compostos de fibra de carboni termoplàstics unidireccionals presenten una baixa tensió de tracció i la presència de dissolvents residuals pot afectar negativament el rendiment final. Per ampliar la tensió de fallada per tracció, s'han utilitzat capes primes híbrides, capes angulars i estructures sandvitx de capa ondulada. Abans que la tecnologia maduri, l'aplicació generalitzada de compostos termoplàstics de fibra de carboni requerirà una àmplia investigació i experimentació.
Quines són les instruccions d'aplicació prometedores per a la fibra de carboni termoplàstica?
La investigació sobre compostos termoplàstics de fibra de carboni ha estat en curs, però actualment s'enfronta a certs colls d'ampolla. L'estat fos a alta temperatura de les resines termoplàstiques no pot mullar de manera eficient els paquets de fibra de carboni, cosa que provoca una distribució desigual dins del preimpregnat de fibra de carboni termoplàstic produït i redueix significativament els nivells de rendiment. A més, el processament posterior de preimpregnats de fibra de carboni termoplàstic també es troba amb molts reptes. Només resolent aquests problemes més indústries es poden beneficiar d'aquests materials.
1.Aeroespacial: L'ús de compostos de fibra de carboni a les aeronaus va començar amb estructures auxiliars com ara alerons, pestanyes d'ajust d'elevador i timons. CFRP (polímer reforçat amb fibra de carboni) presenta excel·lents propietats mecàniques, inclosa una alta relació resistència-pes i una alta relació rigidesa-pes. Amb els avenços tecnològics, el rendiment de les fibres i matrius ha millorat significativament, millorant el rendiment dels laminats i permetent que aquest material s'apliqui a les principals estructures d'avions com ara fuselatges, cues verticals, caixes de cua i ales, substituint els aliatges metàl·lics lleugers tradicionals. La fibra de carboni termoplàstica pot substituir algunes fibres de carboni termoestables, proporcionant un millor rendiment en aquests components.
2. Generació d'energia eòlica: Segons el Global Wind Energy Council, la capacitat total instal·lada d'energia eòlica a tot el món va assolir aproximadament 743 gigawatts el 2020, amb un augment del 53% en la nova capacitat instal·lada, amb un total de 93 gigawatts. A les pales de les turbines eòliques, la fibra de carboni té avantatges significatius sobre la fibra de vidre, com ara un mòdul de tracció específic més alt, una resistència específica a la tracció més alta i una millor resistència a la fatiga. El consum de fibra de carboni a les estructures d'aerogeneradors ha augmentat d'unes 800 tones el 2004 a més de 30 tones el 2021, i s'espera que superi les 81 tones el 2025. Els compostos termoplàstics de fibra de carboni també es poden aplicar àmpliament a l'energia eòlica en creixement. sector d'equipaments.
3.Fabricació d'automòbilsDurant l'última dècada, els estàndards d'emissions d'automòbils més estrictes i el ràpid creixement dels vehicles elèctrics han impulsat la indústria a reutilitzar la fibra de carboni per reduir el pes. L'ús de materials lleugers com els compostos CFRP (polímer reforçat amb fibra de carboni) en estructures d'automoció és el mètode més directe per reduir el pes. El 2013, el consum de fibra de carboni va experimentar un creixement important, continuant amb una tendència a l'alça. El 2021, la demanda de fibra de carboni va arribar a les 9,5 tones i s'espera que superi les 12,6 tones el 2024. La Xina és el major productor i mercat final de vehicles elèctrics a nivell mundial, i l'aplicació de fibra de carboni termoplàstica als automòbils pot proporcionar un rendiment d'acceleració més fort alhora que també oferint una millor protecció de seguretat.
4. Recipients a pressió: Els contenidors d'emmagatzematge de gas d'alta pressió són un dels mercats més grans i de més ràpid creixement per als compostos avançats, especialment els compostos de fibra de carboni enrotllats amb filaments. A causa de l'excel·lent rendiment a la fatiga dels compostos de fibra de carboni, la vida útil dels recipients a pressió composts de CFRP tipus III i IV pot arribar fins a 30 anys. Els tancs sense revestiment compost de fibra de carboni tipus V es van fabricar per primera vegada el 2012 per emmagatzemar argó en components de satèl·lit. Una aplicació dels compostos de fibra de carboni termoplàstica en cintes unidireccionals és la producció de recipients a pressió, amb un potencial de mercat prometedor per emmagatzemar hidrogen a alta pressió, argó i altres gasos en el futur.
5.Equipament esportiu: Els principals productes fets amb fibra de carboni inclouen pals de golf, canyes de pescar i raquetes de tennis. Des del 2010, l'ús de fibra de carboni en equipaments esportius i recreatius ha mostrat una tendència de creixement constant. El 2021, la quantitat de fibra de carboni utilitzada en els esports va assolir les impressionants 18,5 tones. Els pals de golf i les bicicletes són les zones de major consum de fibra de carboni, que representen el 27,6% i el 25,4% del consum total, respectivament. S'espera que els articles esportius fets amb compostos termoplàstics de fibra de carboni elevin els esports de competició a noves altures. A mesura que augmenta la capacitat de producció, els preus d'aquest tipus d'articles esportius continuen disminuint, fent-los més accessibles en la vida quotidiana.
El reciclatge dels productes de fibra de carboni rebutjats és urgent i la implementació necessita una millora
La millora de la capacitat de producció de compostos termoplàstics de fibra de carboni pot impulsar un ràpid desenvolupament en la indústria de la fibra de carboni i sectors avançats com l'aeroespacial, la generació d'energia eòlica, la fabricació d'automòbils i els recipients a pressió. Tanmateix, també planteja una qüestió urgent: com reciclar de manera eficient els productes de fibra de carboni termoplàstics danyats i rebutjats. Amb la baixa capacitat de producció actual de compostos i productes termoplàstics de fibra de carboni, s'estima que el 2025, el procés de fabricació pot generar unes 20,000 tones de residus i peces de rebuig anualment. Si la capacitat de producció augmenta significativament en el futur, la quantitat de residus també augmentarà substancialment.
Al llarg del procés de fabricació, des de les matèries primeres fins als productes acabats, es genera una gran quantitat de residus, incloent fibres/teixits secs, preimpregnats curats o no curats, talls, mostres de prova i productes no aprovats. La taxa mitjana de ferralla per a la producció de compostos de fibra de carboni és d'aproximadament el 32,4%. Segons el procés de fabricació o l'aplicació, els mètodes de fabricació tradicionals, com ara la producció d'autoclau en els processos aeroespacials i RTM, tenen taxes de ferralla que superen el 50%, mentre que els articles esportius produïts a mà tenen taxes de ferralla del 4-8%. Per als processos de fabricació de compostos més moderns, les tècniques d'emmotllament i compostos donen una taxa de ferralla del 30-50%, la pultrusió té una taxa del 5-10% i els processos de bobinat de filaments tenen una taxa de 2-3%. A mesura que els processos de fabricació continuen madurant, s'espera que les taxes de ferralla disminueixin.
Tot i que el percentatge és petit, el volum total de residus plàstics reforçats amb fibra de carboni és important, sobretot perquè la indústria de la fibra de carboni s'està expandint ràpidament; així, els residus de fibra de carboni corresponents també estan augmentant. Actualment, la majoria dels residus dels compostos de fibra de carboni termoestables s'eliminen a través de l'abocador. En canvi, els compostos termoplàstics de fibra de carboni tenen una millor reciclabilitat. Si les empreses relacionades es fan càrrec i s'apliquen les lleis i regulacions adequades, això pot alleujar eficaçment els reptes actuals de la gestió ineficient dels residus de fibra de carboni. Xinhong Industrial Co., Ltd. creu que la fibra de carboni i els compostos proporcionen comoditat i valor a les nostres vides i, tot i que ens beneficiem, és essencial centrar-nos en els esforços de reciclatge per protegir el medi ambient, que al seu torn protegeix la continuïtat de la civilització.
