Karbonska vlakna su neorganski polimerni vlaknasti novi neorganski materijal sa sadržajem ugljika iznad 95%, niske gustoće, visoke čvrstoće, otpornosti na visoke temperature, visoke hemijske stabilnosti, otpornosti na zamor, otpornosti na habanje i drugih odličnih osnovnih fizičkih i hemijskih svojstava, te imaju visoko prigušivanje vibracija, dobru provodljivost topline, elektromagnetne performanse zaštite i nizak koeficijent toplinskog širenja i druge karakteristike. Ova odlična svojstva čine karbonska vlakna široko korištenim u vazduhoplovstvu, željezničkom saobraćaju, proizvodnji vozila, oružju i opremi, građevinskim mašinama, izgradnji infrastrukture, pomorskom inženjerstvu, naftnom inženjerstvu, energiji vjetra, sportskoj opremi i drugim oblastima.
Na osnovu nacionalnih strateških potreba za materijalima od karbonskih vlakana, Kina ih je navela kao jednu od ključnih tehnologija u industrijama u razvoju koje su usmjerene na podršku. U nacionalnom programu "Dvanaest-pet" za nauku i tehnologiju, tehnologija pripreme i primjene visokoperformansnih karbonskih vlakana jedna je od ključnih tehnologija strateških industrija u razvoju koje podržava država. U maju 2015. godine, Državno vijeće je zvanično objavilo program "Proizvedeno u Kini 2025", gdje su novi materijali jedno od ključnih područja snažne promocije i razvoja, uključujući visokoperformansne strukturne materijale i napredne kompozite, što je fokus razvoja u oblasti novih materijala. U oktobru 2015. godine, Ministarstvo industrije i informacione industrije zvanično je objavilo "Mapu puta za ključne tehnološke oblasti kineske proizvodnje za 2025. godinu", gdje su "visokoperformansna vlakna i njihovi kompoziti" ključni strateški materijal, a cilj za 2020. godinu je "domaći kompoziti od karbonskih vlakana koji ispunjavaju tehničke zahtjeve velikih aviona i druge važne opreme". U novembru 2016. godine, Državno vijeće je izdalo nacionalni strateški plan razvoja novih industrija "Trinaest pet", u kojem je jasno istaknuto jačanje podrške za saradnju uzvodno i nizvodno u industriji novih materijala, u kompozitima od karbonskih vlakana i drugim oblastima, kako bi se provele pilot demonstracije zajedničke primjene i izgradila platforma za saradnju. U januaru 2017. godine, Ministarstvo industrije i razvoja, NDRC, nauke i tehnologije i Ministarstvo finansija zajednički su formulisali "Vodič za razvoj industrije novih materijala" i predložili da se od 2020. godine "u kompozitima od karbonskih vlakana, visokokvalitetnom specijalnom čeliku, naprednim lakim legurama i drugim oblastima postigne više od 70 ključnih industrijalizacija i primjena novih materijala, te da se izgradi sistem podrške procesnoj opremi koji odgovara nivou razvoja kineske industrije novih materijala."
Budući da karbonska vlakna i njihovi kompoziti igraju važnu ulogu u nacionalnoj odbrani i egzistenciji naroda, mnogi stručnjaci se fokusiraju na njihov razvoj i analizu istraživačkih trendova. Dr. Zhou Hong je pregledao naučne i tehnološke doprinose američkih naučnika u ranim fazama razvoja tehnologije visokoperformansnih karbonskih vlakana, te je analizirao i izvijestio o 16 glavnih primjena i nedavnih tehnoloških napredaka karbonskih vlakana, a tehnologiju proizvodnje, svojstva i primjenu poliakrilonitrilnih karbonskih vlakana i njihov trenutni tehnološki razvoj pregledao je dr. Wei Xin itd. Također je iznio neke konstruktivne prijedloge za probleme koji postoje u razvoju karbonskih vlakana u Kini. Osim toga, mnogi ljudi su proveli istraživanja o metrološkoj analizi radova i patenata u oblasti karbonskih vlakana i njihovih kompozita. Na primjer, Ma Xianglin i drugi sa stanovišta metrologije od 1998. do 2017. godine, distribucija i primjena patenata za karbonska vlakna u oblasti analize; Yang Sisi i drugi, koristeći Innography platformu za globalno pretraživanje patenata i statistiku podataka o tkaninama od karbonskih vlakana, analiziraju godišnji trend razvoja patenata, nosioce patenata, žarišnu tačku patentne tehnologije i osnovni patent tehnologije.
Iz perspektive putanje istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, kineska istraživanja su gotovo sinhronizovana sa svijetom, ali razvoj je spor. U poređenju sa stranim zemljama, postoji jaz u obimu i kvalitetu proizvodnje visokoperformansnih karbonskih vlakana. Postoji hitna potreba za ubrzanjem procesa istraživanja i razvoja, unapređenjem strateškog plana i iskorištavanjem budućih prilika za razvoj industrije. Stoga, ovaj rad prvo istražuje raspored projekata zemalja u oblasti istraživanja karbonskih vlakana, kako bi se razumjelo planiranje puteva istraživanja i razvoja u različitim zemljama. Drugo, budući da su osnovna istraživanja i primjena karbonskih vlakana veoma važna za tehnička istraživanja i razvoj karbonskih vlakana, provodimo metrološke analize akademskih rezultata istraživanja - SCI radova i rezultata primijenjenih istraživanja - patenata istovremeno kako bismo dobili sveobuhvatno razumijevanje napretka istraživanja i razvoja u oblasti karbonskih vlakana i analizirali nedavna istraživanja u ovoj oblasti u skladu sa napretkom istraživanja i razvoja Peep International Frontier. Konačno, na osnovu gore navedenih rezultata istraživanja, daju se neki prijedlozi za put istraživanja i razvoja u oblasti karbonskih vlakana u Kini.
2. Cugljenična vlaknaraspored istraživačkog projektaglavne zemlje/regije
Glavne zemlje proizvođači karbonskih vlakana uključuju Japan, Sjedinjene Američke Države, Južnu Koreju, neke evropske zemlje, te Tajvan i Kinu. Zemlje s naprednom tehnologijom u ranoj fazi razvoja tehnologije karbonskih vlakana shvatile su važnost ovog materijala, provele su strateške planove i snažno promoviraju razvoj materijala od karbonskih vlakana.
2.1 Japan
Japan je najrazvijenija zemlja za tehnologiju karbonskih vlakana. Tri kompanije, Toray, Bong i Mitsubishi Liyang u Japanu, čine oko 70%~80% globalnog tržišnog udjela u proizvodnji karbonskih vlakana. Ipak, Japan pridaje veliki značaj održavanju svojih snaga u ovoj oblasti, posebno razvoju visokoperformansnih karbonskih vlakana na bazi pana i energetski i ekološki prihvatljivih tehnologija, uz snažnu ljudsku i finansijsku podršku, te su u nizu osnovnih politika, uključujući osnovni energetski plan, strateški okvir za ekonomski rast i Kjoto protokol, ovo učinili strateškim projektom koji treba unaprijediti. Na osnovu osnovne nacionalne energetske i ekološke politike, Ministarstvo ekonomije, industrije i imovine Japana predložilo je "Program istraživanja i razvoja tehnologije za uštedu energije". Uz podršku gore navedene politike, japanska industrija karbonskih vlakana uspjela je efikasnije centralizirati sve aspekte resursa i promovirati rješavanje uobičajenih problema u industriji karbonskih vlakana.
"Razvoj tehnologije kao što su inovativni novi strukturni materijali" (2013-2022) je projekat koji se implementira u okviru "Istraživačkog projekta budućeg razvoja" u Japanu s ciljem značajnog razvoja potrebne inovativne tehnologije strukturnih materijala i kombinacije različitih materijala, s glavnim ciljem smanjenja težine (pola težine automobila) transportnih sredstava. I konačno, ostvarivanja njihove praktične primjene. Nakon preuzimanja istraživačko-razvojnog projekta 2014. godine, Agencija za razvoj industrijske tehnologije (NEDO) razvila je nekoliko podprojekata u kojima su opći ciljevi istraživačkog projekta karbonskih vlakana "Inovativna osnovna istraživanja i razvoj karbonskih vlakana" bili: razvoj novih spojeva prekursora karbonskih vlakana; razjašnjenje mehanizma formiranja struktura karbonizacije; i razvoj i standardizacija metoda procjene karbonskih vlakana. Projekat, koji vodi Univerzitet u Tokiju, a u kojem zajednički učestvuju Institut za industrijsku tehnologiju (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan i Mitsubishi Liyang, ostvario je značajan napredak u januaru 2016. godine i predstavlja još jedan veliki proboj u oblasti karbonskih vlakana na bazi panela nakon izuma "Kondo moda" u Japanu 1959. godine.
2.2 Sjedinjene Američke Države
Američka agencija za predistraživanja u oblasti odbrane (DARPA) pokrenula je 2006. godine projekat Napredna strukturna vlakna s ciljem okupljanja dominantne naučnoistraživačke snage u zemlji radi razvoja strukturnih vlakana sljedeće generacije na bazi karbonskih vlakana. Uz podršku ovog projekta, istraživački tim Tehnološkog instituta Georgia u Sjedinjenim Državama probio je 2015. godine tehnologiju pripreme sirove žice, povećavajući njen modul elastičnosti za 30%, čime su Sjedinjene Države dobile razvojni kapacitet treće generacije karbonskih vlakana.
Ministarstvo energetike Sjedinjenih Američkih Država (DOE) je 2014. godine objavilo subvenciju od 11,3 miliona dolara za dva projekta o "višestepenim katalitičkim procesima za pretvaranje nejestivih šećera iz biomase u akrilonitril" i "istraživanju i optimizaciji akrilonitrila dobijenog iz proizvodnje biomase" kako bi se promovisala upotreba poljoprivrednih ostataka, istraživanje konkurentnih obnovljivih visokoefikasnih materijala od karbonskih vlakana za proizvodnju obnovljivih sirovina koje nisu bazirane na hrani, kao što je drvena biomasa, i planovi za smanjenje troškova proizvodnje obnovljivih karbonskih vlakana iz biomase na manje od 5 dolara po funti do 2020. godine.
U martu 2017. godine, Ministarstvo energetike SAD-a ponovo je objavilo 3,74 miliona dolara za finansiranje "projekta istraživanja i razvoja jeftinih komponenti od karbonskih vlakana" koji vodi Zapadnoamerički institut (WRI), a koji se fokusira na razvoj jeftinih komponenti od karbonskih vlakana na bazi resursa poput uglja i biomase.
U julu 2017. godine, Ministarstvo energetike SAD-a objavilo je finansiranje od 19,4 miliona dolara za podršku istraživanju i razvoju naprednih energetski efikasnih vozila, od čega se 6,7 miliona koristi za finansiranje pripreme jeftinih karbonskih vlakana korištenjem računarskih materijala, uključujući razvoj višerazinskih metoda evaluacije za integriranu računarsku tehnologiju za procjenu entuzijazma novih prekursora karbonskih vlakana, teoriju funkcionalne gustoće potpomognutu naprednom molekularnom dinamikom, mašinsko učenje i drugi alati koriste se za razvoj najsavremenijih računarskih alata za poboljšanje efikasnosti odabira jeftinih sirovina od karbonskih vlakana.
2.3 Evropa
Evropska industrija karbonskih vlakana razvila se u Japanu i Sjedinjenim Američkim Državama sedamdesetih ili osamdesetih godina 20. vijeka, ali zbog tehnologije i kapitala, mnoge kompanije koje proizvode samo pojedinačna karbonska vlakna nisu se pridržavale perioda visokog rasta potražnje za karbonskim vlaknima nakon 2000 godina i nestale su. Njemačka kompanija SGL je jedina kompanija u Evropi koja ima značajan udio na svjetskom tržištu karbonskih vlakana.
U novembru 2011. godine, Evropska unija je pokrenula projekat Eucarbon, čiji je cilj unapređenje evropskih proizvodnih kapaciteta u oblasti karbonskih vlakana i prethodno impregniranih materijala za vazduhoplovstvo. Projekat je trajao 4 godine, sa ukupnom investicijom od 3,2 miliona eura, a u maju 2017. godine uspješno je uspostavljena prva evropska specijalna proizvodna linija karbonskih vlakana za svemirske primjene kao što su sateliti, čime je Evropi omogućeno da se odmakne od uvozne zavisnosti od ovog proizvoda i osigura sigurnost snabdijevanja materijalima.
Sedmi okvir EU planira podržati projekat "funkcionalna karbonska vlakna u pripremi novog prekursorskog sistema sa isplativim i upravljivim performansama" (FIBRALSPEC) (2014-2017) u iznosu od 6,08 miliona eura. Četverogodišnji projekat, koji vodi Nacionalni tehnički univerzitet u Atini, Grčka, uz učešće multinacionalnih kompanija kao što su Italija, Ujedinjeno Kraljevstvo i Ukrajina, fokusiran je na inovacije i poboljšanje procesa kontinuirane pripreme karbonskih vlakana na bazi poliakrilonitrila kako bi se postigla eksperimentalna proizvodnja kontinuirano karbonskih vlakana na bazi tave. Projekat je uspješno završio razvoj i primjenu karbonskih vlakana i poboljšane kompozitne tehnologije od obnovljivih organskih polimernih resursa (kao što su superkondenzatori, brza skloništa za hitne slučajeve, kao i prototipovi mehaničko-električnih rotacijskih mašina za premazivanje i razvoj proizvodne linije nanovlakana itd.).
Sve veći broj industrijskih sektora, poput automobilske industrije, vjetroelektrana i brodogradnje, zahtijeva lagane, visokoperformansne kompozite, što predstavlja ogromno potencijalno tržište za industriju karbonskih vlakana. EU ulaže 5,968 miliona eura u pokretanje projekta Carboprec (2014-2017), čiji je strateški cilj razvoj jeftinih prekursora iz obnovljivih materijala koji su široko prisutni u Evropi i poboljšanje proizvodnje visokoperformansnih karbonskih vlakana putem karbonskih nanocjevčica.
Istraživački program Evropske unije Cleansky II finansirao je projekat "Istraživanje i razvoj kompozitnih guma" (2017), koji vodi Fraunhoferov institut za proizvodnju i pouzdanost sistema (LBF) u Njemačkoj, a koji planira razvoj komponenti prednjih točkova za avione od kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima za Airbus A320. Cilj je smanjenje težine za 40% u poređenju sa konvencionalnim metalnim materijalima. Projekat je finansiran sa približno 200.000 eura.
2.4 Koreja
Istraživanje i razvoj karbonskih vlakana i industrijalizacija u Južnoj Koreji započeli su kasno. Istraživanje i razvoj započeli su 2006. godine, a 2013. godine formalno su ušli u praktičnu fazu, čime je preokrenuta situacija u kojoj korejska karbonska vlakna u potpunosti zavise od uvoza. Zahvaljujući lokalnoj Xiaoxing grupi u Južnoj Koreji i Taiguang Businessu, kao pioniru industrije koji aktivno učestvuju u razvoju industrije karbonskih vlakana, razvoj je snažan. Osim toga, baza za proizvodnju karbonskih vlakana koju je uspostavio Toray Japan u Koreji također je doprinijela razvoju tržišta karbonskih vlakana u samoj Koreji.
Korejska vlada je odlučila da Xiaoxing Group postane mjesto okupljanja za inovativne industrije karbonskih vlakana. Cilj je formiranje klastera industrije materijala od karbonskih vlakana, promovisanje razvoja kreativnog ekonomskog ekosistema u cijeloj sjevernoj regiji, krajnji cilj je formiranje jedinstvenog proizvodnog lanca materijala od karbonskih vlakana → dijelova → gotovih proizvoda, uspostavljanje inkubacijskog klastera karbonskih vlakana može se uskladiti sa Silicijskom dolinom u Sjedinjenim Državama, otvaranje novih tržišta, stvaranje nove dodane vrijednosti, te postizanje cilja od 10 milijardi dolara izvoza proizvoda povezanih s karbonskim vlaknima (što je ekvivalentno oko 55,2 milijarde juana) do 2020. godine.
3. analiza globalnog istraživanja i istraživačkih rezultata u oblasti karbonskih vlakana
Ovaj pododjeljak navodi SCI radove vezane za istraživanje karbonskih vlakana i rezultate DII patenata od 2010. godine, kako bi se istovremeno analizirala akademska istraživanja i industrijska istraživanja i razvoj globalne tehnologije karbonskih vlakana, te u potpunosti razumio napredak istraživanja i razvoja karbonskih vlakana na međunarodnom nivou.
Podaci preuzeti iz Scie baze podataka i Dewent baze podataka u web of Science bazi podataka koju objavljuje Clarivate Analytics; vremenski raspon preuzimanja: 2010-2017; datum preuzimanja: 1. februar 2018.
SCI Strategija pretraživanja rada: Ts=((karbonska vlakna* ili Karbonska vlakna* ili ("Karbonska vlakna*" ne "karbonska stakloplastika") ili "karbonska vlakna*" ili "karbonski filament*" ili ((poliakrilonitril ili smola) i "prekursor*" i vlakna*) ili ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ugljik"))。
Dewent strategija pretraživanja patenata: Ti=((karbonska vlakna* ili Karbonska vlakna* ili ("Karbonska vlakna*" ne "karbonska stakloplastika") ili "karbonska vlakna*" ili "karbonski filament*" ili ((poliakrilonitril ili smola) i "prekursor*" i vlakna*) ili ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ugljik")) ili TS=(((karbonska vlakna* ili Karbonska vlakna* ili ("Karbonska vlakna*" ne "karbonska stakloplastika") ili "karbonska vlakna*" ili "karbonski filament*" ili ((poliakrilonitril ili smola) i "prekursor*" i vlakna*) ili ("grafitna vlakna*")) ne ("bambusov ugljik")) i IP=(D01F-009/12 ili D01F-009/127 ili D01F-009/133 ili D01F-009/14 ili D01F-009/145 ili D01F-009/15 ili D01F-009/155 ili D01F-009/16 ili D01F-009/17 ili D01F-009/18 ili D01F-009/20 ili D01F-009/21 ili D01F-009/22 ili D01F-009/24 ili D01F-009/26 ili D01F-09/28 ili D01F-009/30 ili D01F-009/32 ili C08K-007/02 ili C08J-005/04 ili C04B-035/83 ili D06M-014/36 ili D06M-101/40 ili D21H-013/50 ili H01H-001/027 ili H01R-039/24).
3.1 trend
Od 2010. godine, širom svijeta je objavljeno 16.553 relevantnih radova, a prijavljeno je 26.390 patenata za izume, pri čemu svi pokazuju stalan uzlazni trend iz godine u godinu (Slika 1).
3.2 Distribucija po zemljama ili regijama
Deset najboljih institucija s najvećim globalnim istraživačkim radovima o karbonskim vlaknima dolazi iz Kine, a među prvih 5 su: Kineska akademija nauka, Tehnološki institut Harbin, Sjeverozapadni tehnološki univerzitet, Univerzitet Donghua i Pekinški institut za aeronautiku i astronautiku. Među stranim institucijama, Indijski tehnološki institut, Univerzitet u Tokiju, Univerzitet u Bristolu, Univerzitet Monash, Univerzitet u Manchesteru i Tehnološki institut Georgije nalaze se između 10 i 20 mjesta (slika 3).
Po broju patentnih prijava među 30 najboljih institucija, Japan ima 5, od kojih su 3 među prvih pet. Kompanija Toray je na prvom mjestu, zatim Mitsubishi Liyang (2.), Teijin (4.), East State (10.), Japan Toyo Textile Company (24.), Kina ima 21 instituciju, Sinopec Group ima najveći broj patenata, rangirajući se na trećem mjestu. Na drugom mjestu su Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry itd. Kineska akademija nauka Shanxi Coal je prijavila patent za izum 66, rangirajući se na 27. mjestu. Južnokorejske institucije imaju 2, od kojih je Xiaoxing Co., Ltd. na prvom mjestu, rangirajući se na 8. mjestu.
Izlazne institucije, izlaz rada uglavnom od univerziteta i naučnoistraživačkih institucija, izlaz patenata uglavnom od kompanije, može se vidjeti da je proizvodnja karbonskih vlakana visokotehnološka industrija, kao glavni dio razvoja industrije karbonskih vlakana, kompanija pridaje veliki značaj zaštiti tehnologije istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, posebno dvije velike kompanije u Japanu, broj patenata je daleko ispred.
3.4 Istraživačke žarišne tačke
Istraživački radovi o karbonskim vlaknima pokrivaju najviše istraživačkih tema: kompoziti od karbonskih vlakana (uključujući kompozite ojačane karbonskim vlaknima, kompozite s polimernom matricom itd.), istraživanje mehaničkih svojstava, analiza konačnih elemenata, ugljične nanocjevčice, delaminacija, ojačanje, zamor, mikrostruktura, elektrostatičko predenje, površinska obrada, adsorpcija i tako dalje. Radovi koji se bave ovim ključnim riječima čine 38,8% ukupnog broja radova.
Patenti za izume od karbonskih vlakana pokrivaju najviše tema vezanih za pripremu karbonskih vlakana, proizvodnu opremu i kompozitne materijale. Među njima, Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin i druge kompanije u oblasti "polimernih spojeva ojačanih karbonskim vlaknima" u oblasti važnog tehničkog rasporeda, pored toga, Toray i Mitsubishi Liyang u "proizvodnji poliakrilonitrila od karbonskih vlakana i proizvodnoj opremi", "sa nezasićenim nitrilom, kao što je poliakrilonitril, poliviniliden cijanid etilen proizvodnja karbonskih vlakana" i druge tehnologije imaju veliki udio u rasporedu patenata, a japanska kompanija Teijin u "kompozitima od karbonskih vlakana i spojeva kisika" ima veći udio u rasporedu patenata.
Kineska Sinopec grupa, Pekinški hemijski univerzitet i Kineska akademija nauka Ningbo Materials u okviru "proizvodnje poliakrilonitrila od ugljeničnih vlakana i proizvodne opreme" imaju veliki udio u patentnom rasporedu; Pored toga, Pekinški hemijski inženjerski univerzitet, Kineska akademija nauka Shanxi Coal Hemical Institute i Kineska akademija nauka Ningbo materijali ključnog rasporeda "Korištenje neorganskih elemenata vlakana kao sastojaka za pripremu polimernih spojeva" tehnologija je Harbin Institute of Technology fokusiran na raspored "tretmana ugljeničnih vlakana", "kompozita od ugljeničnih vlakana i spojeva koji sadrže kiseonik" i drugih tehnologija.
Osim toga, iz godišnje statističke distribucije globalnih patenata utvrđeno je da se u posljednje tri godine počeo pojavljivati niz novih žarišta, kao što su: "Kompozicije poliamida dobivene stvaranjem reakcije karboksilatnog vezivanja u glavnom lancu", "poliesterske kompozicije stvaranjem esterskih veza 1 karboksilne kiseline u glavnom lancu", "kompozitni materijal na bazi sintetičkih materijala", "ciklička karboksilna kiselina koja sadrži spojeve kisika kao sastojci kompozita od ugljičnih vlakana", "u trodimenzionalnom obliku očvršćavanja ili obrade tekstilnih materijala", "nezasićeni eter, acetal, poluacetal, keton ili aldehid putem samo reakcije nezasićene veze ugljik-ugljik za proizvodnju polimernih spojeva", "adijabatski materijal za cijevi ili kablove", "kompoziti od ugljičnih vlakana s fosfatnim esterima kao sastojcima" i tako dalje.
Posljednjih godina, pojavila su se istraživanja i razvojna istraživanja u sektoru karbonskih vlakana, a većina otkrića dolazi iz Sjedinjenih Američkih Država i Japana. Najnovije vrhunske tehnologije fokusiraju se ne samo na tehnologiju proizvodnje i pripreme karbonskih vlakana, već i na primjenu u širem spektru automobilskih materijala, kao što su lagani materijali, 3D printanje i materijali za proizvodnju energije. Osim toga, recikliranje i recikliranje materijala od karbonskih vlakana, priprema drvenog lignina od karbonskih vlakana i druga dostignuća imaju sjajne performanse. Reprezentativni rezultati opisani su u nastavku:
1) Američki Tehnološki institut u Georgiji probija treću generaciju tehnologija karbonskih vlakana
U julu 2015. godine, uz finansiranje DARPA-e, Tehnološki institut Georgia je, sa svojom inovativnom tehnikom predenja gela od karbonskih vlakana na bazi tave, značajno povećao svoj modul, nadmašivši karbonska vlakna Hershey IM7, koja se sada široko koriste u vojnim avionima, označavajući tako drugu zemlju u svijetu koja je savladala treću generaciju tehnologije karbonskih vlakana nakon Japana.
Zatezna čvrstoća gelom predenih karbonskih vlakana koje proizvodi Kumarz dostiže 5,5 do 5,8 Gpa, a modul zatezanja je između 354-375 gpa. "Ovo je kontinuirano vlakno za koje je zabilježena najveća čvrstoća i modul sveobuhvatnih performansi. U kratkom snopu filamenata, zatezna čvrstoća do 12,1 Gpa, što je isto kao i kod poliakrilonitrilnih karbonskih vlakana s najvišom čvrstoćom."
2) Tehnologija zagrijavanja elektromagnetnim valovima
Nedo je 2014. godine razvio tehnologiju zagrijavanja elektromagnetnim valovima. Tehnologija karbonizacije elektromagnetnim valovima odnosi se na korištenje tehnologije zagrijavanja elektromagnetnim valovima za karbonizaciju vlakana pod atmosferskim pritiskom. Dobijene performanse karbonskih vlakana su u osnovi iste kao i kod karbonskih vlakana proizvedenih zagrijavanjem na visokoj temperaturi, modul elastičnosti može doseći više od 240 GPA, a izduženje pri prekidu je veće od 1,5%, što je prvi uspjeh u svijetu.
Vlaknasti materijal se karbonizuje elektromagnetnim talasima, tako da nije potrebna oprema za karbonizacijsku peć koja se koristi za zagrijavanje na visokim temperaturama. Ovaj proces ne samo da smanjuje vrijeme potrebno za karbonizaciju, već i smanjuje potrošnju energije i emisiju CO2.
3) fina kontrola procesa karbonizacije
U martu 2014. godine, Toray je objavio uspješan razvoj karbonskih vlakana t1100g. Toray koristi tradicionalnu tehnologiju predenja u tavi za finu kontrolu procesa karbonizacije, poboljšanje mikrostrukture karbonskih vlakana na nanoskali, kontrolu orijentacije mikrokristala grafita, veličine mikrokristala, defekata i tako dalje u vlaknu nakon karbonizacije, tako da se čvrstoća i modul elastičnosti mogu značajno poboljšati. Zatezna čvrstoća t1100g je 6,6 GPa, što je 12% više od one kod T800, a modul elastičnosti je 324 GPa i povećan je za 10%, što ga dovodi u fazu industrijalizacije.
4) Tehnologija površinske obrade
Kompanija Teijin East State uspješno je razvila tehnologiju površinske obrade plazmom koja može kontrolirati izgled karbonskih vlakana za samo nekoliko sekundi. Ova nova tehnologija značajno pojednostavljuje cijeli proizvodni proces i smanjuje potrošnju energije za 50% u poređenju s postojećom tehnologijom površinske obrade za vodene rastvore elektrolita. Štaviše, nakon plazma obrade, utvrđeno je da je poboljšana i adhezija vlakana i matrice smole.
5) studija o stopi zadržavanja zatezne čvrstoće karbonskih vlakana u okruženju grafita na visokim temperaturama
Kompanija Ningbo Materials uspješno je provela detaljnu studiju o analizi procesa, istraživanju strukture i optimizaciji performansi domaćih visokočvrstih i visokomodnih karbonskih vlakana, posebno istraživački rad o stopi zadržavanja zatezne čvrstoće karbonskih vlakana u visokotemperaturnom grafitnom okruženju, te nedavno uspješno pripremila visokočvrsta i modularna karbonska vlakna sa zateznom čvrstoćom od 5,24 GPa i zapreminskim modulom zatezanja od 593 GPa. I dalje imaju prednost zatezne čvrstoće u poređenju sa japanskim visokočvrstim visokolijevanim karbonskim vlaknima Toray m60j (zatezna čvrstoća 3,92 GPa, modul zatezanja 588 GPa).
6) Mikrovalni grafit
Yongda Advanced Materials je uspješno razvio ekskluzivnu patentiranu tehnologiju grafita za ultra visoke temperature u Sjedinjenim Državama, proizvodnju karbonskih vlakana srednjeg i višeg reda, uspješno probivši tri uska grla u razvoju karbonskih vlakana visokog reda: oprema za grafit je skupa i pod međunarodnom kontrolom, poteškoće u hemijskoj tehnologiji sirove svile, a prinos proizvodnje je nizak, a troškovi visoki. Do sada je Yongda razvio 3 vrste karbonskih vlakana, a sva su podigla čvrstoću i modul originalnih relativno niskotemperaturnih karbonskih vlakana na novu visinu.
7) Novi proces taljenja sirove žice od karbonskih vlakana na bazi tave, proizvođača Fraunhofer, Njemačka
Fraunhoferov institut za primijenjene polimere (Applied polymer Research, IAP) nedavno je najavio da će predstaviti najnoviju Comcarbon tehnologiju na Berlinskom aeromitingu 25. i 29. aprila 2018. godine. Ova tehnologija značajno smanjuje troškove proizvodnje masovno proizvedenih karbonskih vlakana.
Sl. 4 Predenje sirove žice za topljenje.
Dobro je poznato da se u tradicionalnim procesima polovina troškova proizvodnje karbonskih vlakana na bazi tiganja troši na proces proizvodnje sirove žice. S obzirom na nemogućnost topljenja sirove žice, ona se mora proizvoditi korištenjem skupog procesa predenja u rastvoru (Solution Spinning). "U tu svrhu razvili smo novi proces za proizvodnju sirove svile na bazi tiganja, koji može smanjiti troškove proizvodnje sirove žice za 60%. Ovo je ekonomičan i izvodljiv proces topljenja i predenja, korištenjem posebno razvijenog spojenog kopolimera na bazi tiganja", objasnio je dr. Johannes Ganster, ministar za biološke polimere na Fraunhofer IAP institutu.
8) Tehnologija plazma oksidacije
Kompanija 4M Carbon fiber je najavila da će koristiti tehnologiju plazma oksidacije za proizvodnju i prodaju visokokvalitetnih, jeftinih karbonskih vlakana kao strateški fokus, a ne samo za licenciranje tehnologije. 4M tvrdi da je tehnologija plazma oksidacije tri puta brža od konvencionalne tehnologije oksidacije, dok je potrošnja energije manja od jedne trećine tradicionalne tehnologije. Ove tvrdnje su potvrdili mnogi međunarodni proizvođači karbonskih vlakana, koji se konsultuju s nizom najvećih svjetskih proizvođača karbonskih vlakana i proizvođača automobila kako bi učestvovali kao inicijatori proizvodnje jeftinih karbonskih vlakana.
9) Celulozna nano vlakna
Univerzitet Kyoto u Japanu, zajedno s nekoliko glavnih dobavljača komponenti, kao što su kompanija za električne instalacije (najveći dobavljač za Toyota) i Daikyonishikawa Corp., radi na razvoju plastičnih materijala koji kombiniraju celulozna nano vlakna. Ovaj materijal se proizvodi razbijanjem drvene pulpe na nekoliko mikrona (1 na hiljadu mm). Težina novog materijala je samo jedna petina težine čelika, ali je njegova čvrstoća pet puta veća od čvrstoće čelika.
10) prednje tijelo od karbonskih vlakana od poliolefina i lignina
Nacionalna laboratorija Oak Ridge u Sjedinjenim Američkim Državama radi na istraživanju jeftinih karbonskih vlakana od 2007. godine, a razvili su i prednja tijela od karbonskih vlakana za poliolefinske i ligninske sirovine, kao i napredne tehnologije plazma preoksidacije i mikrovalne karbonizacije.
11) Novi polimer (prekursorski polimer) razvijen je uklanjanjem vatrostalne obrade
U metodi proizvodnje koju vodi Univerzitet u Tokiju, razvijen je novi polimer (prekursorski polimer) za uklanjanje vatrostalne obrade. Glavna poenta je da se nakon predenja polimera u svilu ne provodi originalna vatrostalna obrada, već se uzrokuje njegova oksidacija u rastvaraču. Uređaj za mikrovalno grijanje se zatim zagrijava na više od 1000 ℃ radi karbonizacije. Vrijeme zagrijavanja traje samo 2-3 minute. Nakon tretmana karbonizacije, plazma se također koristi za površinsku obradu, tako da se mogu napraviti karbonska vlakna. Tretman plazmom traje manje od 2 minute. Na taj način, originalno vrijeme sinterovanja od 30-60 minuta može se smanjiti na oko 5 minuta. U novoj metodi proizvodnje, tretman plazmom se provodi kako bi se poboljšalo vezivanje između karbonskih vlakana i termoplastične smole kao osnovnog CFRP materijala. Modul elastičnosti pri zatezanju karbonskih vlakana proizvedenih novom metodom proizvodnje iznosi 240GPa, zatezna čvrstoća je 3,5GPa, a izduženje dostiže 1,5%. Ove vrijednosti su iste kao i kod Toray Universal karbonskih vlakana T300 koja se koriste za sportsku opremu itd.
12) recikliranje i korištenje materijala od karbonskih vlakana korištenjem procesa fluidiziranog sloja
Mengran Meng, prvi autor studije, rekao je: „Oporavak karbonskih vlakana smanjuje utjecaj na okoliš u usporedbi s proizvodnjom sirovih karbonskih vlakana, ali postoji ograničena svijest o potencijalnim tehnologijama recikliranja i ekonomskoj izvodljivosti recikliranja korištenja karbonskih vlakana. Recikliranje se odvija u dvije faze: vlakna se prvo moraju izdvojiti iz kompozita od karbonskih vlakana i termički razgraditi mehaničkim mljevenjem materijala ili korištenjem pirolize ili procesa fluidiziranog sloja. Ove metode uklanjaju plastični dio kompozitnog materijala, ostavljajući karbonska vlakna, koja se zatim mogu pretvoriti u zapetljane vlaknaste prostirke korištenjem tehnologije mokre proizvodnje papira ili reorganizirati u usmjerena vlakna.“
Istraživači su izračunali da se karbonska vlakna mogu dobiti iz otpada kompozita od karbonskih vlakana korištenjem procesa fluidiziranog sloja, što zahtijeva samo 5 dolara/kg i manje od 10% energije potrebne za proizvodnju primarnih karbonskih vlakana. Reciklirana karbonska vlakna proizvedena procesima fluidiziranog sloja teško smanjuju modul, a zatezna čvrstoća se smanjuje za 18% do 50% u odnosu na primarna karbonska vlakna, što ih čini pogodnim za primjene koje zahtijevaju visoku krutost, a ne čvrstoću. "Reciklirana karbonska vlakna mogu biti pogodna za nestrukturne primjene koje zahtijevaju laganu težinu, kao što su automobilska, građevinska, vjetroelektrana i sportska industrija", rekao je Meng.
13) Nova tehnologija recikliranja karbonskih vlakana razvijena u Sjedinjenim Američkim Državama
U junu 2016. godine, istraživači na Tehnološkom institutu Georgia u Sjedinjenim Državama natopili su karbonska vlakna rastvaračem koji sadrži alkohol kako bi rastvorili epoksidnu smolu, a odvojena vlakna i epoksidne smole se mogu ponovo koristiti, što je uspješno rezultiralo iskorištavanjem karbonskih vlakana.
U julu 2017. godine, Univerzitet države Washington je također razvio tehnologiju oporavka ugljičnih vlakana, koristeći slabu kiselinu kao katalizator, tečni etanol na relativno niskim temperaturama za razgradnju termoreaktivnih materijala, razgrađena ugljična vlakna i smola se čuvaju odvojeno i mogu se koristiti za reprodukciju.
14) Razvoj tehnologije 3D printanja s karbonskim vlaknima u laboratoriji LLNL, SAD
U martu 2017. godine, Nacionalna laboratorija Lawrence Livemore (LLNL) u Sjedinjenim Američkim Državama razvila je prve 3D printane visokoperformansne kompozitne materijale od karbonskih vlakana, avio-kvaliteta. Koristili su 3D metodu printanja direktnim prenosom tinte (DIW) kako bi stvorili složene trodimenzionalne strukture koje su značajno poboljšale brzinu obrade za upotrebu u automobilskoj, vazduhoplovnoj, odbrambenoj industriji, motociklističkim takmičenjima i surfanju.
15) Sjedinjene Američke Države, Koreja i Kina sarađuju u razvoju karbonskih vlakana za proizvodnju energije
U augustu 2017. godine, kampus Univerziteta u Teksasu u Dallasu, Univerzitet Hanyang u Koreji, Univerzitet Nankai u Kini i druge institucije sarađivale su na razvoju materijala od pređe od karbonskih vlakana za proizvodnju energije. Pređa se prvo namače u rastvorima elektrolita kao što je slana voda, što omogućava ionima u elektrolitu da se vežu za površinu karbonskih nanocjevčica, koje se mogu pretvoriti u električnu energiju kada se pređa zategne ili rastegne. Materijal se može koristiti na bilo kojem mjestu sa pouzdanom kinetičkom energijom i pogodan je za napajanje IoT senzora.
16) Novi napredak u istraživanju drvenih ligninskih ugljeničnih vlakana postignut od strane Kineza i Amerikanaca respektivno
U martu 2017. godine, specijalni tim za vlakna Instituta za tehnologiju materijala i inženjerstvo u Ningbu pripremio je lignin-akrilonitril kopolimer s dobrom predivošću i termičkom stabilnošću korištenjem tehnologije esterifikacije i dvostepene modifikacije kopolimerizacijom slobodnih radikala. Visokokvalitetni kontinuirani filamenti dobiveni su korištenjem kopolimera i procesa mokrog predenja, a kompaktna karbonska vlakna dobivena su nakon termičke stabilizacije i tretmana karbonizacijom.
U augustu 2017. godine, istraživački tim Birgitte Ahring sa Univerziteta u Washingtonu u Sjedinjenim Američkim Državama pomiješao je lignin i poliakrilonitril u različitim omjerima, a zatim koristio tehnologiju predenja taline kako bi pretvorio miješane polimere u karbonska vlakna. Studija je otkrila da lignin dodan u omjeru od 20% do 30% nije utjecao na čvrstoću karbonskih vlakana i očekivalo se da će se koristiti u proizvodnji jeftinijih materijala od karbonskih vlakana za automobilske ili avionske dijelove.
Krajem 2017. godine, Nacionalna laboratorija za obnovljivu energiju (NREL) objavila je istraživanje o proizvodnji akrilonitrila korištenjem otpadnih dijelova biljaka, poput kukuruzne i pšenične slame. Prvo razgrađuju biljne materijale u šećer, a zatim ih pretvaraju u kiseline i kombiniraju ih s jeftinim katalizatorima kako bi proizveli ciljane proizvode.
17) Japan razvija prvu automobilsku šasiju od termoplastičnog kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima
U oktobru 2017. godine, japanska Agencija za istraživanje i razvoj, koja je integrisala novu tehnologiju energetske industrije i Nacionalni istraživački centar za kompozite Univerziteta Nagoya, uspješno su razvili prvu na svijetu termoplastičnu kompozitnu šasiju automobila ojačanu ugljičnim vlaknima. Koristeći automatski proces direktnog online oblikovanja termoplastičnih kompozita ojačanih dugim vlaknima, kontinuirano miješanje čestica ugljičnih vlakana i termoplastične smole, proizvodnju kompozita ojačanih vlaknima, a zatim zagrijavanje i topljenje spajanja, uspješno su proizveli termoplastičnu CFRP šasiju automobila.
5. prijedlozi za istraživanje i razvoj tehnologije karbonskih vlakana u Kini
5.1 Napredan raspored, orijentisan ka ciljevima, fokus na probijanje treće generacije tehnologije karbonskih vlakana
Kineska tehnologija karbonskih vlakana druge generacije još uvijek nije sveobuhvatan proboj. Naša zemlja treba pokušati biti usmjerena na budućnost i okupiti relevantne istraživačke institucije, fokusirajući se na usvajanje ključnih tehnologija. Fokusirajte se na istraživanje i razvoj visokoučinkovite tehnologije pripreme karbonskih vlakana treće generacije (tj. primjenjive u zrakoplovnoj industriji visoke čvrstoće i visokog modula karbonskih vlakana) i razvijenu tehnologiju kompozitnih materijala od karbonskih vlakana, uključujući automobilsku industriju, građevinarstvo i popravke te druge lagane, jeftine i velike količine karbonskih vlakana, tehnologiju aditivne proizvodnje, tehnologiju recikliranja i tehnologije brze izrade prototipa.
5.2 Koordinacija organizacije, jačanje podrške, uspostavljanje velikih tehničkih projekata za kontinuiranu podršku zajedničkim istraživanjima
Trenutno u Kini postoji mnogo institucija koje se bave istraživanjem karbonskih vlakana, ali je moć raspršena i ne postoji jedinstveni mehanizam organizacije istraživanja i razvoja niti snažna finansijska podrška za efikasnu koordinaciju. Sudeći po iskustvu razvoja razvijenih zemalja, organizacija i raspored velikih projekata igraju veliku ulogu u promovisanju razvoja ove tehničke oblasti. Trebali bismo se fokusirati na prednost kineske istraživačke i razvojne snage, s obzirom na proboj kineske tehnologije istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, kako bismo započeli velike projekte, ojačali kolaborativne tehnološke inovacije i stalno promovisali nivo kineske tehnologije istraživanja karbonskih vlakana, konkurenciju za međunarodna karbonska vlakna i kompozite.
5.3 Poboljšanje mehanizma evaluacije usmjerenosti tehničkih dostignuća na efekat primjene
Sa stanovišta ekonometrijske analize SCI radova, kineska karbonska vlakna se koriste kao visokokvalitetni materijal u različitim istraživačkim oblastima, ali se za proizvodnju i tehnologiju pripreme karbonskih vlakana posebno fokusiraju na smanjenje troškova i poboljšanje efikasnosti proizvodnje, uz manje istraživanja. Proces proizvodnje karbonskih vlakana je dug, s ključnim tehnološkim tačkama i visokim proizvodnim barijerama, što predstavlja multidisciplinarnu i multitehnološku integraciju. Potrebno je prevazići tehničke prepreke i efikasno promovisati istraživanje i razvoj tehnologije pripreme jezgra "niske cijene i visokih performansi", s jedne strane, potrebno je ojačati ulaganja u istraživanje, a s druge strane, potrebno je oslabiti evaluaciju učinka naučnih istraživanja, ojačati smjernice za evaluaciju učinka primjene tehničkih dostignuća i preći sa "kvantitativne" evaluacije, koja se fokusira na objavljivanje rada, na evaluaciju "kvalitete" vrijednosti rezultata.
5.4 Jačanje razvoja složenih talenata najsavremenije tehnologije
Visokotehnološki atribut tehnologije karbonskih vlakana određuje važnost specijaliziranih talenata, a to da li imaju najsavremenije tehničko osoblje direktno određuje nivo istraživanja i razvoja institucije.
Kao rezultat veza istraživanja i razvoja u tehnologiji karbonskih vlakana, trebali bismo obratiti pažnju na obuku osoblja u složenim oblastima, kako bismo osigurali koordinaciju i razvoj svih veza. Osim toga, iz historije razvoja istraživanja karbonskih vlakana u Kini, protok ključnih stručnjaka za tehnologiju često je ključni faktor koji utiče na nivo istraživanja i razvoja istraživačke institucije. Održavanje fiksacije ključnih stručnjaka i timova za istraživanje i razvoj u proizvodnim procesima, kompozitima i glavnim proizvodima važno je za kontinuirano tehnološko unapređenje.
Trebali bismo nastaviti jačati obuku i korištenje specijaliziranog visokotehnološkog osoblja u ovoj oblasti, poboljšati politiku evaluacije i tretmana talenata za tehnološka istraživanja i razvoj, ojačati razvoj mladih talenata, aktivno podržavati saradnju i razmjenu sa stranim naprednim istraživačko-razvojnim institucijama i snažno uvoditi strane napredne talente itd. Ovo će igrati veliku ulogu u promociji razvoja istraživanja karbonskih vlakana u Kini.
Citirano iz-
Analiza razvoja globalne tehnologije karbonskih vlakana i njenog uticaja na Kinu. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Svjetsko naučno-tehnološko istraživanje i razvoj.2018.
Vrijeme objave: 04.12.2018.