انفجار آینده در ظرفیت تولید فیبر کربن ترموپلاستیک به نفع کدام صنایع خواهد بود؟

انفجار آینده در ظرفیت تولید فیبر کربن ترموپلاستیک به نفع کدام صنایع خواهد بود؟

اهمیت و محدودیت های کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک

کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک اغلب با کامپوزیت های فیبر کربن گرما سخت، کامپوزیت های الیاف شیشه و کامپوزیت های الیاف آرامید مقایسه می شوند. برخی از مطالعات نشان می‌دهند که کامپوزیت‌های فیبر کربن گرما سخت سفتی بالاتری از خود نشان می‌دهند، در حالی که کامپوزیت‌های الیاف آرامید دارای چقرمگی بهتری هستند. با این حال، برخی از کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک، مانند کتون پلی اتر اتر تقویت شده با الیاف کربن پیوسته (CF/PEEK)، عملکرد برتر را در مقایسه با همتایان ترموست خود نشان می دهند.

در واقع، مزایای الیاف کربن ترموپلاستیک فراتر از خواص مکانیکی است. آنها همچنین مزایایی از نظر آماده سازی، پردازش و بازیافت دارند.

با توجه به پردازش سریع و بازیافت مواد ترموپلاستیک، کامپوزیت های گرمانرم تقویت شده با الیاف به طور فزاینده ای در صنایع هوافضا، خودروسازی، ساخت و ساز و شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. توانایی ذوب مواد ترموپلاستیک و کامپوزیت های تقویت شده با الیاف آنها به قطعات ساخته شده اجازه می دهد تا به محصولات جدید تبدیل شوند، که یک مزیت قابل توجه نسبت به پلیمرهای ترموست و کامپوزیت های تقویت شده با الیاف آنها است.

با این حال، به دلیل چسبندگی سطحی ضعیف بین الیاف کربن و ماتریس‌های ترموپلاستیک، درمان‌های سطحی مختلفی مانند روش‌های شیمیایی، پلاسما و الکتروشیمیایی برای معرفی گروه‌های عملکردی سطح و بهبود پیوند سطحی اعمال شده‌اند. کامپوزیت های ترموپلاستیک تقویت شده با فیبر کربن به اجزای سبک وزن مختلف با مقاومت در برابر ضربه، قابلیت تعمیر و بازیافت بالا از طریق فرآیندهای تولیدی مانند قالب گیری تزریقی، قالب گیری فشاری و اکستروژن ساخته شده اند.

در حالی که کامپوزیت های فیبر کربن گرمانرم و اجزای مربوط به آن ها ذاتا دارای مزایایی هستند، اما با محدودیت های خاصی نیز مواجه هستند. به عنوان مثال، کامپوزیت‌های فیبر کربنی گرمانرم یک جهته دارای کرنش کششی کم هستند و وجود حلال‌های باقی‌مانده می‌تواند بر عملکرد نهایی تأثیر منفی بگذارد. برای گسترش کرنش شکست کششی، از لایه های نازک هیبریدی، لایه های زاویه ای و ساختارهای ساندویچی لایه موجدار استفاده شده است. قبل از بلوغ این فناوری، کاربرد گسترده کامپوزیت های فیبر کربنی گرمانرم به تحقیقات و آزمایشات گسترده نیاز دارد.

دستورالعمل های کاربردی امیدوارکننده برای فیبر کربن ترموپلاستیک چیست؟

تحقیقات بر روی کامپوزیت های فیبر کربن گرمانرم ادامه دارد، اما در حال حاضر، با تنگناهای خاصی مواجه است. حالت مذاب با درجه حرارت بالا رزین های ترموپلاستیک نمی تواند به طور موثر بسته های فیبر کربن را خیس کند، که منجر به توزیع ناهموار در پیش آغشته سازی فیبر کربن گرمانرم تولید شده و به طور قابل توجهی سطوح عملکرد را کاهش می دهد. علاوه بر این، پردازش بعدی پیش‌آب‌سازهای فیبر کربنی گرمانرم نیز با چالش‌های زیادی مواجه می‌شود. تنها با حل این مسائل، صنایع بیشتری می توانند از این مواد بهره مند شوند.

4. عروق تحت فشار: ظروف ذخیره سازی گاز فشار بالا یکی از بزرگترین و سریع ترین بازارهای در حال رشد برای کامپوزیت های پیشرفته، به ویژه کامپوزیت های فیبر کربنی با فیلامنت است. با توجه به عملکرد خستگی عالی کامپوزیت های فیبر کربنی، طول عمر مخازن تحت فشار کامپوزیت نوع III و IV CFRP می تواند تا 30 سال برسد. مخازن بدون لاینر کامپوزیتی تمام فیبر کربن نوع V برای اولین بار در سال 2012 برای ذخیره آرگون در قطعات ماهواره ای ساخته شدند. یکی از کاربردهای کامپوزیت های فیبر کربن گرمانرم در نوارهای یک طرفه در تولید مخازن تحت فشار است که پتانسیل بازار امیدوارکننده ای برای ذخیره سازی هیدروژن، آرگون و سایر گازهای پرفشار در آینده دارد.

5. تجهیزات ورزشی: محصولات عمده ساخته شده از فیبر کربن عبارتند از چوب گلف، چوب ماهیگیری و راکت تنیس. از سال 2010، استفاده از فیبر کربن در تجهیزات ورزشی و تفریحی روند رشد ثابتی را نشان داده است. در سال 2021، میزان فیبر کربن مورد استفاده در ورزش به 18.5 تن رسید. چوب گلف و دوچرخه بزرگترین مناطق مصرف کننده فیبر کربن هستند که به ترتیب 27.6% و 25.4% از کل مصرف را تشکیل می دهند. انتظار می رود کالاهای ورزشی ساخته شده از کامپوزیت های فیبر کربن ترموپلاستیک، ورزش های رقابتی را به ارتفاعات جدیدی ارتقا دهند. با افزایش ظرفیت تولید، قیمت این نوع کالاهای ورزشی همچنان کاهش می یابد و در زندگی روزمره قابل دسترس تر می شود.

بازیافت محصولات الیاف کربن دور ریخته شده ضروری است و اجرای آن نیاز به بهبود دارد

بهبود ظرفیت تولید کامپوزیت‌های فیبر کربن گرمانرم در واقع می‌تواند باعث توسعه سریع صنعت فیبر کربن و پیشرفت بخش‌هایی مانند هوافضا، تولید برق بادی، تولید خودرو و مخازن تحت فشار شود. با این حال، یک سوال فوری را نیز مطرح می کند: چگونه می توان محصولات فیبر کربنی گرمانرم آسیب دیده و دور ریخته شده را به طور موثر بازیافت کرد. با ظرفیت پایین فعلی تولید کامپوزیت ها و محصولات فیبر کربن گرمانرم، تخمین زده می شود که تا سال 2025، فرآیند تولید ممکن است سالانه حدود 20،{2}} تن زباله و قطعات ضایعاتی تولید کند. اگر ظرفیت تولید در آینده به میزان قابل توجهی افزایش یابد، میزان ضایعات نیز به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت.

در طول فرآیند تولید از مواد خام تا محصولات نهایی، مقدار زیادی ضایعات تولید می‌شود، از جمله الیاف/پارچه‌های خشک، پیش آغشته‌سازی‌های پخته یا پخته نشده، برش‌ها، نمونه‌های آزمایشی و محصولات تایید نشده. میانگین نرخ ضایعات برای تولید کامپوزیت فیبر کربن تقریباً 32.4٪ است. بسته به فرآیند تولید یا کاربرد، روش‌های سنتی تولید مانند تولید اتوکلاو در هوافضا و فرآیندهای RTM دارای نرخ ضایعات بیش از 50٪ هستند، در حالی که کالاهای ورزشی تولید شده دستی دارای نرخ ضایعات 4-8٪ هستند. برای فرآیندهای مدرن‌تر ساخت کامپوزیت، روش‌های قالب‌گیری و کامپوزیت نرخ ضایعات 30-50%، pultrusion دارای نرخ 5-10% و فرآیندهای سیم‌پیچ رشته دارای نرخ 2-3% هستند. با ادامه بلوغ فرآیندهای تولید، انتظار می رود نرخ قراضه کاهش یابد.

اگرچه درصد کمی است، اما حجم کل زباله های پلاستیکی تقویت شده با فیبر کربن قابل توجه است، به خصوص که صنعت فیبر کربن به سرعت در حال گسترش است. بنابراین، ضایعات فیبر کربن مربوطه نیز در حال افزایش است. در حال حاضر، بیشتر ضایعات کامپوزیت های فیبر کربن گرما سخت از طریق دفن زباله دفع می شوند. در مقابل، کامپوزیت های فیبر کربنی گرمانرم قابلیت بازیافت بهتری دارند. اگر شرکت های مرتبط مسئولیت را بر عهده بگیرند و قوانین و مقررات مناسب اجرا شوند، این امر می تواند به طور موثر چالش های فعلی مدیریت ناکارآمد ضایعات فیبر کربن را کاهش دهد. Xinhong Industrial Co., Ltd. معتقد است که فیبر کربن و کامپوزیت‌ها راحتی و ارزش را برای زندگی ما فراهم می‌کنند و در حالی که ما از آنها سود می‌بریم، تمرکز بر تلاش‌های بازیافت برای حفاظت از محیط زیست ضروری است که به نوبه خود از تداوم تمدن محافظت می‌کند.