Karbonska vlakna su anorganski polimerni vlaknasti novi materijal s udjelom ugljika iznad 95%, niske gustoće, visoke čvrstoće, otpornosti na visoke temperature, visoke kemijske stabilnosti, otpornosti na umor, otpornosti na habanje i drugih izvrsnih osnovnih fizikalnih i kemijskih svojstava, te imaju visoko prigušivanje vibracija, dobru toplinsku vodljivost, elektromagnetske performanse zaštite i nizak koeficijent toplinskog širenja i druge karakteristike. Ova izvrsna svojstva čine karbonska vlakna široko korištenima u zrakoplovstvu, željezničkom prometu, proizvodnji vozila, oružju i opremi, građevinskim strojevima, izgradnji infrastrukture, brodskom inženjerstvu, naftnom inženjerstvu, energiji vjetra, sportskoj opremi i drugim područjima.
Na temelju nacionalnih strateških potreba za materijalima od karbonskih vlakana, Kina ih je uvrstila među ključne tehnologije industrija u nastajanju kojima je usmjerena podrška. U nacionalnom znanstvenom i tehnološkom planiranju "Dvanaest-pet", tehnologija pripreme i primjene visokoučinkovitih karbonskih vlakana jedna je od ključnih tehnologija strateških industrija u nastajanju koje podržava država. U svibnju 2015. Državno vijeće službeno je objavilo program "Proizvedeno u Kini 2025.", a novi materijali kao jedno od ključnih područja snažnog promicanja i razvoja, uključujući visokoučinkovite konstrukcijske materijale, napredni kompoziti su u fokusu razvoja u području novih materijala. U listopadu 2015. Ministarstvo industrije i informacijske industrije službeno je objavilo "Kraj tehnoloških putova za ključna područja kineske proizvodnje 2025.", u kojem su "visokoučinkovita vlakna i njihovi kompoziti" ključni strateški materijal, a cilj za 2020. je "domaći kompoziti od karbonskih vlakana koji zadovoljavaju tehničke zahtjeve velikih zrakoplova i druge važne opreme". U studenom 2016. Državno vijeće izdalo je nacionalni strateški plan razvoja novih industrija "Trinaest pet", u kojem je jasno istaknuto jačanje podrške uzvodnoj i nizvodnoj suradnji u industriji novih materijala, provođenje pilotnih demonstracija suradnje u kompozitima od karbonskih vlakana i drugim područjima te izgradnja platforme za suradnju. U siječnju 2017. Ministarstvo industrije i razvoja, NDRC, znanost i tehnologija te Ministarstvo financija zajednički su formulirali "Vodič za razvoj industrije novih materijala" te predložili da se od 2020. "u kompozitima od karbonskih vlakana, visokokvalitetnom specijalnom čeliku, naprednim lakim legurama i drugim područjima postigne više od 70 ključnih industrijalizacija i primjena novih materijala te izgradnja sustava podrške procesnoj opremi koji odgovara razini razvoja kineske industrije novih materijala."
Budući da karbonska vlakna i njihovi kompoziti igraju važnu ulogu u nacionalnoj obrani i egzistenciji naroda, mnogi stručnjaci usredotočuju se na njihov razvoj i analizu istraživačkih trendova. Dr. Zhou Hong pregledao je znanstvene i tehnološke doprinose američkih znanstvenika u ranim fazama razvoja visokoučinkovite tehnologije 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 su proveli istraživanja o metrološkoj analizi radova i patenata u području karbonskih vlakana i njihovih kompozita. Na primjer, Ma Xianglin i drugi s gledišta metrologije od 1998. do 2017. o distribuciji i primjeni patenata za karbonska vlakna u području analize; Yang Sisi i drugi analiziraju inovacijsku platformu za globalno pretraživanje patenata i statistiku podataka o tkaninama od karbonskih vlakana, godišnji trend razvoja patenata, nositelje patenata, žarišnu točku patentne tehnologije i ključni patent tehnologije.
Iz perspektive putanje istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, kineska istraživanja gotovo su sinkronizirana sa svijetom, ali razvoj je spor. U usporedbi sa stranim zemljama, postoji jaz u opsegu i kvaliteti proizvodnje visokoučinkovitih karbonskih vlakana. Postoji hitna potreba za ubrzanjem procesa istraživanja i razvoja, unapređenjem strateškog rasporeda i iskorištavanjem budućih prilika za razvoj industrije. Stoga ovaj rad prvo istražuje raspored projekata zemalja u području istraživanja karbonskih vlakana kako bi se razumjelo planiranje putova istraživanja i razvoja u različitim zemljama. Drugo, budući da su osnovna istraživanja i primjena istraživanja karbonskih vlakana vrlo važna za tehnička istraživanja i razvoj karbonskih vlakana, provodimo metrološke analize akademskih rezultata istraživanja - SCI radova i rezultata primijenjenih istraživanja - patenata kako bismo dobili sveobuhvatno razumijevanje napretka istraživanja i razvoja u području karbonskih vlakana te analizirali nedavni istraživački razvoj u ovom području kako bismo usporedili napredak istraživanja i razvoja Peep International Frontier. Konačno, na temelju gore navedenih rezultata istraživanja, daju se neki prijedlozi za put istraživanja i razvoja u području karbonskih vlakana u Kini.
2. Cugljična vlaknaraspored istraživačkog projektaglavne zemlje/regije
Glavne zemlje proizvođači karbonskih vlakana uključuju Japan, Sjedinjene Američke Države, Južnu Koreju, neke europske 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 promovirale razvoj materijala od karbonskih vlakana.
2.1 Japan
Japan je najrazvijenija zemlja za tehnologiju karbonskih vlakana. Tri tvrtke u Torayu, Bongu i Mitsubishi Liyangu u Japanu čine oko 70%~80% globalnog tržišnog udjela u proizvodnji karbonskih vlakana. Ipak, Japan pridaje veliku važnost održavanju svojih snaga u ovom području, posebno razvoju visokoučinkovitih karbonskih vlakana na bazi pana te energetski i ekološki prihvatljivih tehnologija, uz snažnu ljudsku i financijsku podršku, te su u nizu osnovnih politika, uključujući osnovni energetski plan, strateški okvir za gospodarski rast i Protokol iz Kyota, ovo učinili strateškim projektom koji treba unaprijediti. Na temelju osnovne nacionalne energetske i ekološke politike, Ministarstvo gospodarstva, 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 učinkovitije centralizirati sve aspekte resursa i promovirati rješavanje uobičajenih problema u industriji karbonskih vlakana.
„Razvoj tehnologije poput inovativnih novih konstrukcijskih materijala“ (2013.-2022.) je projekt proveden u okviru „Istraživačkog projekta budućeg razvoja“ u Japanu s ciljem značajnog postizanja razvoja potrebne inovativne tehnologije konstrukcijskih materijala i kombinacije različitih materijala, s glavnim ciljem smanjenja težine (polovica težine automobila) prijevoznih sredstava. Te konačno ostvarivanja njegove praktične primjene. Nakon što je 2014. godine preuzela istraživačko-razvojni projekt, 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; te razvoj i standardizacija metoda procjene karbonskih vlakana. Projekt, koji vodi Sveučilište u Tokiju, a u kojem zajednički sudjeluju Institut za industrijsku tehnologiju (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan i Mitsubishi Liyang, ostvario je značajan napredak u siječnju 2016. i predstavlja još jedan veliki proboj u području karbonskih vlakana na bazi pana nakon izuma "Kondo načina rada" u Japanu 1959. godine.
2.2 Sjedinjene Američke Države
Američka agencija za predistraživanja u području obrane (DARPA) pokrenula je 2006. godine projekt Advanced Structural Fiber s ciljem okupljanja dominantne znanstveno-istraživačke snage u zemlji za razvoj 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, povećavši njezin modul elastičnosti za 30%, čime su Sjedinjene Države dobile razvojni kapacitet treće generacije karbonskih vlakana.
Godine 2014., Ministarstvo energetike Sjedinjenih Država (DOE) objavilo je subvenciju od 11,3 milijuna dolara za dva projekta o "višestupanjskim katalitičkim procesima za pretvorbu nejestivih šećera iz biomase u akrilonitril" i "istraživanju i optimizaciji akrilonitrila dobivenog iz proizvodnje biomase" kako bi se potaknula upotreba poljoprivrednih ostataka, istraživanje cjenovno konkurentnih obnovljivih visokoučinkovitih materijala od karbonskih vlakana za proizvodnju obnovljivih sirovina koje nisu na bazi hrane, poput drvenaste biomase, te planovi za smanjenje troškova proizvodnje obnovljivih karbonskih vlakana iz biomase na manje od 5 USD/lb do 2020. godine.
U ožujku 2017., američko Ministarstvo energetike ponovno je objavilo 3,74 milijuna dolara za financiranje "istraživačkog i razvojnog projekta jeftinih komponenti od karbonskih vlakana" koji vodi Zapadnoamerički institut (WRI), a koji se fokusira na razvoj jeftinih komponenti od karbonskih vlakana na temelju resursa poput ugljena i biomase.
U srpnju 2017., američko Ministarstvo energetike objavilo je financiranje od 19,4 milijuna dolara za potporu istraživanju i razvoju naprednih energetski učinkovitih vozila, od čega se 6,7 milijuna koristi za financiranje pripreme jeftinih karbonskih vlakana korištenjem računalnih materijala, uključujući razvoj višerazinskih metoda evaluacije za integriranu računalnu tehnologiju za procjenu entuzijazma novih prekursora karbonskih vlakana, teoriju funkcionalne gustoće potpomognutu naprednom molekularnom dinamikom, strojno učenje i drugi alati koriste se za razvoj najsuvremenijih računalnih alata za poboljšanje učinkovitosti odabira jeftinih sirovina od karbonskih vlakana.
2.3 Europa
Europska industrija karbonskih vlakana razvila se u Japanu i Sjedinjenim Državama sedamdesetih ili osamdesetih godina 20. stoljeća, ali zbog tehnologije i kapitala mnoge tvrtke koje proizvode pojedinačna karbonska vlakna nisu se pridržavale razdoblja visokog rasta potražnje za karbonskim vlaknima nakon 2000 godina i nestale su. Njemačka tvrtka SGL jedina je tvrtka u Europi koja ima značajan udio na svjetskom tržištu karbonskih vlakana.
U studenom 2011. Europska unija pokrenula je projekt Eucarbon, čiji je cilj unapređenje europskih proizvodnih kapaciteta u karbonskim vlaknima i prethodno impregniranim materijalima za zrakoplovstvo. Projekt je trajao 4 godine, s ukupnim ulaganjem od 3,2 milijuna eura, a u svibnju 2017. uspješno je uspostavljena prva europska posebna proizvodna linija karbonskih vlakana za svemirske primjene poput satelita, čime je Europi omogućeno da se odmakne od ovisnosti o uvozu proizvoda i osigura sigurnost opskrbe materijalima.
Sedmi okvir EU-a planira podržati projekt "funkcionalna karbonska vlakna u pripremi novog prekursorskog sustava s isplativim i upravljivim performansama" (FIBRALSPEC) (2014.-2017.) u iznosu od 6,08 milijuna eura. Četverogodišnji projekt, koji vodi Nacionalno tehničko sveučilište u Ateni, Grčka, uz sudjelovanje multinacionalnih tvrtki poput Italije, Ujedinjenog Kraljevstva i Ukrajine, usmjeren je na inovacije i poboljšanje procesa kontinuirane pripreme karbonskih vlakana na bazi poliakrilonitrila kako bi se postigla eksperimentalna proizvodnja kontinuirano dobivenih karbonskih vlakana. Projekt je uspješno dovršio razvoj i primjenu karbonskih vlakana i poboljšane kompozitne tehnologije iz obnovljivih organskih polimernih resursa (kao što su superkondenzatori, brza skloništa za hitne slučajeve, kao i prototipovi mehaničko-električnih rotacijskih strojeva za premazivanje i razvoj proizvodne linije nanovlakana itd.).
Sve veći broj industrijskih sektora, poput automobilske industrije, vjetroelektrana i brodogradnje, zahtijeva lagane, visokoučinkovite kompozite, što predstavlja ogromno potencijalno tržište za industriju karbonskih vlakana. EU ulaže 5,968 milijuna eura u pokretanje projekta Carboprec (2014.-2017.), čiji je strateški cilj razvoj jeftinih prekursora iz obnovljivih materijala koji su široko prisutni u Europi i poboljšanje proizvodnje visokoučinkovitih karbonskih vlakana putem ugljikovih nanocjevčica.
Istraživački program Europske unije Cleansky II financirao je projekt "Istraživanje i razvoj kompozitnih guma" (2017.), koji vodi Fraunhoferov institut za proizvodnju i pouzdanost sustava (LBF) u Njemačkoj, a koji planira razviti komponente prednjih kotača za zrakoplove od kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima za Airbus A320. Cilj je smanjiti težinu za 40% u usporedbi s konvencionalnim metalnim materijalima. Projekt je financiran s približno 200.000 eura.
2.4 Koreja
Istraživanje i razvoj karbonskih vlakana te industrijalizacija u Južnoj Koreji započeli su kasno. Istraživanje i razvoj započeli su 2006., a 2013. formalno su započeli praktičnu fazu, čime je preokrenuta situacija u kojoj korejska karbonska vlakna u potpunosti ovise o uvozu. Zahvaljujući lokalnoj južnokorejskoj grupi Xiaoxing i tvrtki Taiguang Business, kao pioniru industrije koji aktivno sudjeluju u planiranju 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 odlučila je Xiaoxing Group pretvoriti u okupljalište inovativnih industrija karbonskih vlakana. Cilj je formirati klaster industrije materijala od karbonskih vlakana, promovirati razvoj kreativnog gospodarskog ekosustava u cijeloj sjevernoj regiji, a krajnji cilj je formirati jedinstveni proizvodni lanac materijala od karbonskih vlakana → dijelova → gotovih proizvoda. Uspostava inkubacijskog klastera karbonskih vlakana može se usporediti sa Silicijskom dolinom u Sjedinjenim Državama, otvoriti nova tržišta, stvoriti novu dodanu vrijednost i postići cilj 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 karbonskih vlakana
Ovaj pododjeljak navodi SCI radove vezane uz 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 međunarodnoj razini.
Podaci dobiveni iz Scie baze podataka i Dewent baze podataka u web of Science bazi podataka koju je objavio Clarivate Analytics; vremenski raspon preuzimanja: 2010.-2017.; datum preuzimanja: 1. veljače 2018.
Strategija pretraživanja SCI papira: Ts = ((karbonska vlakna* ili karbonska vlakna* ili ("karbonska vlakna*" ne "karbonska stakloplastika") ili "karbonska vlakna*" ili "karbonska niti*" 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 "karbonska nit*" 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 "karbonska nit*" 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 diljem svijeta objavljeno je 16.553 relevantnih radova i prijavljeno je 26.390 patenata za izume, a svi pokazuju stalan uzlazni trend iz godine u godinu (Slika 1).
3.2 Raspodjela 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 znanosti, Tehnološki institut Harbin, Sjeverozapadno tehnološko sveučilište, Sveučilište Donghua i Pekinški institut za aeronautiku i astronautiku. Među stranim institucijama, Indijski tehnološki institut, Sveučilište u Tokiju, Sveučilište u Bristolu, Sveučilište Monash, Sveučilište u Manchesteru i Tehnološki institut Georgia nalaze se između 10 i 20 mjesta (slika 3).
Broj patentnih prijava među 30 najboljih institucija, Japan ima 5, a 3 od njih su među prvih pet, tvrtka Toray je na prvom mjestu, slijede 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, drugo, Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry itd., Kineska akademija znanosti Shanxi Coal prijava izum Patent 66, rangirana je 27., južnokorejske institucije imaju 2, od kojih je Xiaoxing Co., Ltd. rangirana na prvom mjestu, rangirajući se na 8. mjestu.
Izlazne institucije, izlaz rada uglavnom sa sveučilišta i znanstveno-istraživačkih institucija, izlaz patenata uglavnom od tvrtke, može se vidjeti da je proizvodnja karbonskih vlakana visokotehnološka industrija, kao glavno tijelo razvoja industrije karbonskih vlakana, tvrtka pridaje veliku važnost zaštiti tehnologije istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, posebno dvije glavne tvrtke u Japanu, broj patenata je daleko ispred.
3.4 Istraživačka žarišta
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, ugljikove nanocjevčice, delaminacija, ojačanje, umor, 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 karbonskih vlakana pokrivaju najviše tema vezanih uz pripremu karbonskih vlakana, proizvodnu opremu i kompozitne materijale. Među njima su japanske tvrtke Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin i druge tvrtke u području "spojeva polimera ojačanih karbonskim vlaknima" s važnim tehničkim aspektom. Osim toga, Toray i Mitsubishi Liyang u području "proizvodnje karbonskih vlakana od poliakrilonitrila i proizvodne opreme", "proizvodnje karbonskih vlakana s nezasićenim nitrilom, poput poliakrilonitrila, poliviniliden cijanida i etilena" i drugim tehnologijama imaju veliki udio u patentnom rasporedu, a japanska tvrtka Teijin u području "kompozita od karbonskih vlakana i kisikovih spojeva" ima veći udio u patentnom rasporedu.
China Sinopec Group, Pekinško kemijsko sveučilište i Kineska akademija znanosti Ningbo Materials u "proizvodnji poliakrilonitrila od karbonskih vlakana i proizvodnoj opremi" imaju veliki udio u patentnom rasporedu; Osim toga, Pekinško kemijsko inženjerstvo, Kineska akademija znanosti Shanxi Coal Chemical Institute i Kineska akademija znanosti Ningbo materijali ključnog rasporeda "Korištenje anorganskih elemenata vlakana kao sastojaka za pripremu polimernih spojeva" tehnologija je Harbin Institute of Technology fokusiran na raspored "obrade karbonskih vlakana", "kompozita karbonskih vlakana i spojeva koji sadrže kisik" i drugih tehnologija.
Osim toga, iz godišnjih statističkih statistika distribucije globalnih patenata utvrđeno je da se u posljednje tri godine počeo pojavljivati niz novih žarišta, kao što su: "Sastavi poliamida dobiveni stvaranjem reakcije karboksilatne veze u glavnom lancu", "poliesterski sastavi stvaranjem esterskih veza 1 karboksilne kiseline u glavnom lancu", "kompozitni materijal na bazi sintetičkih materijala", "ciklički spojevi karboksilne kiseline koji sadrže kisik kao sastojci kompozita od ugljičnih vlakana", "u trodimenzionalnom obliku skrućivanja ili obrade tekstilnih materijala", "nezasićeni eter, acetal, poluacetal, keton ili aldehid samo putem reakcije nezasićene veze ugljik-ugljik za proizvodnju polimernih spojeva", "adijabatski materijal za cijevi ili kabele", "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 Država i Japana. Najnovije vrhunske tehnologije usmjerene su ne samo na tehnologiju proizvodnje i pripreme karbonskih vlakana, već i na primjenu u širem rasponu automobilskih materijala, kao što su lagani materijali, 3D ispis i materijali za proizvodnju energije. Osim toga, recikliranje i recikliranje materijala od karbonskih vlakana, priprema drvenog lignina i karbonskih vlakana te druga postignuća imaju sjajne rezultate. Reprezentativni rezultati opisani su u nastavku:
1) Američki Tehnološki institut Georgia probija treću generaciju tehnologija karbonskih vlakana
U srpnju 2015., uz financiranje DARPA-e, Tehnološki institut Georgia, svojom inovativnom tehnikom predenja karbonskih vlakana na bazi tave, značajno je povećao svoj modul, nadmašivši karbonska vlakna Hershey IM7, koja se sada široko koriste u vojnim zrakoplovima, čime je postao druga zemlja u svijetu koja je ovladala trećom generacijom tehnologije karbonskih vlakana nakon Japana.
Vlačna čvrstoća karbonskih vlakana s gel predenjem koje proizvodi Kumarz doseže 5,5 do 5,8 Gpa, a modul vlačne čvrstoće je između 354 i 375 gpa. "Ovo je kontinuirano vlakno za koje je zabilježena najveća čvrstoća i modul sveobuhvatnih performansi. U kratkom snopu filamenata, vlačna čvrstoća do 12,1 Gpa, što je najveća vrijednost kod poliakrilonitrilnih karbonskih vlakana."
2) Tehnologija grijanja elektromagnetskim valovima
U 2014. godini, Nedo je razvio tehnologiju zagrijavanja elektromagnetskim valovima. Tehnologija karbonizacije elektromagnetskim valovima odnosi se na korištenje tehnologije zagrijavanja elektromagnetskim valovima za karbonizaciju vlakana pri atmosferskom tlaku. Dobivene performanse karbonskih vlakana u osnovi su iste kao i kod karbonskih vlakana proizvedenih zagrijavanjem na visokoj temperaturi, modul elastičnosti može doseći više od 240 GPA, a istezanje pri prekidu je veće od 1,5%, što je prvi uspjeh u svijetu.
Vlaknasti materijal se karbonizira elektromagnetskim valovima, 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 emisije CO2.
3) fina kontrola procesa karbonizacije
U ožujku 2014. godine, Toray je najavio 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, nedostataka i tako dalje u vlaknu nakon karbonizacije, tako da se čvrstoća i modul elastičnosti mogu znatno poboljšati. Vlačna čvrstoća t1100g iznosi 6,6 GPa, što je 12% više od one kod T800, a modul elastičnosti je 324 GPa i povećan je za 10%, što ga uvodi u fazu industrijalizacije.
4) Tehnologija površinske obrade
Teijin East State uspješno je razvio tehnologiju površinske obrade plazmom koja može kontrolirati izgled karbonskih vlakana u samo nekoliko sekundi. Ova nova tehnologija značajno pojednostavljuje cijeli proizvodni proces i smanjuje potrošnju energije za 50% u usporedbi s postojećom tehnologijom površinske obrade za vodene otopine elektrolita. Štoviše, nakon plazma obrade utvrđeno je da je poboljšana i adhezija vlakana i matrice smole.
5) studija o stopi zadržavanja vlačne čvrstoće karbonskih vlakana u okruženju grafita na visokim temperaturama
Ningbo Materials uspješno je proveo detaljnu studiju o analizi procesa, istraživanju strukture i optimizaciji performansi domaćih visokočvrstih i visokomodnih karbonskih vlakana, posebno istraživački rad o stopi zadržavanja vlačne čvrstoće karbonskih vlakana u visokotemperaturnom grafitnom okruženju, te nedavno uspješno pripremio visokočvrsta i modularna karbonska vlakna s vlačnom čvrstoćom od 5,24 GPa i volumskim modulom vlačne čvrstoće od 593 GPa. I dalje ima prednost vlačne čvrstoće u usporedbi s japanskim visokočvrstim visokolijevanim karbonskim vlaknima Toray m60j (vlačna čvrstoća 3,92 GPa, modul vlačne čvrstoće 588 GPa).
6) Mikrovalni grafit
Yongda Advanced Materials uspješno je 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 s kemijskom tehnologijom sirove svile, a prinos proizvodnje nizak i visok trošak. 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 postupak taljenja sirove žice od karbonskih vlakana na bazi tave tvrtke Fraunhofer, Njemačka
Fraunhoferov institut za primijenjene polimere (Applied polymer Research, IAP) nedavno je najavio da će predstaviti najnoviju Comcarbon tehnologiju na berlinskom zrakoplovnom sajmu 11a 25. i 29. travnja 2018. Ova tehnologija uvelike smanjuje troškove proizvodnje masovno proizvedenih karbonskih vlakana.
Sl. 4 Predenje sirove žice za taljenje.
Dobro je poznato da se u tradicionalnim procesima polovica troškova proizvodnje karbonskih vlakana na bazi tave troši u procesu proizvodnje sirove žice. S obzirom na nemogućnost taljenja sirove žice, ona se mora proizvoditi skupim postupkom predenja u otopini (Solution Spinning). „U tu svrhu razvili smo novi postupak za proizvodnju sirove svile na bazi tave, koji može smanjiti troškove proizvodnje sirove žice za 60%. Riječ je o ekonomičnom i izvedivom postupku predenja taljenjem, korištenjem posebno razvijenog spojenog kopolimera na bazi tave“, objasnio je dr. Johannes Ganster, ministar za biološke polimere na Fraunhofer IAP institutu.
8) Tehnologija plazma oksidacije
4M Carbon fiber je najavio 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 trećine tradicionalne tehnologije. Izjave su potvrdili mnogi međunarodni proizvođači karbonskih vlakana, koji se konzultiraju s nizom najvećih svjetskih proizvođača karbonskih vlakana i proizvođača automobila kako bi sudjelovali kao inicijatori proizvodnje jeftinih karbonskih vlakana.
9) Celulozna nano vlakna
Sveučilište Kyoto u Japanu, zajedno s nekoliko glavnih dobavljača komponenti kao što su tvrtka za električne instalacije (najveći dobavljač za Toyotu) 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 tisuću mm). Težina novog materijala je samo jedna petina težine čelika, ali njegova čvrstoća je pet puta veća od čvrstoće čelika.
10) prednje tijelo od karbonskih vlakana od poliolefina i lignina
Nacionalni laboratorij Oak Ridge u Sjedinjenim Državama radi na istraživanju jeftinih karbonskih vlakana od 2007. godine, a razvili su prednja tijela od karbonskih vlakana za poliolefinske i ligninske sirovine, kao i napredne tehnologije predoksidacije plazmom i mikrovalne karbonizacije.
11) Novi polimer (prekursorski polimer) razvijen je uklanjanjem vatrostalne obrade
U metodi proizvodnje koju vodi Sveučilište u Tokiju, razvijen je novi polimer (prekursorski polimer) za uklanjanje vatrostalne obrade. Glavna poanta je da se nakon predenja polimera u svilu ne provodi izvorna vatrostalna obrada, već se uzrokuje njegova oksidacija u otapalu. Uređaj za mikrovalno grijanje zatim se zagrijava na više od 1000 ℃ radi karbonizacije. Vrijeme zagrijavanja traje samo 2-3 minute. Nakon karbonizacije, plazma se također koristi za površinsku obradu, tako da se mogu izraditi karbonska vlakna. Obrada plazmom traje manje od 2 minute. Na taj se način izvorno vrijeme sinteriranja od 30-60 minuta može smanjiti na oko 5 minuta. U novoj metodi proizvodnje, obrada plazmom se provodi kako bi se poboljšalo spajanje između karbonskih vlakana i termoplastične smole kao osnovnog CFRP materijala. Modul elastičnosti pri vlaci karbonskih vlakana proizvedenih novom metodom proizvodnje iznosi 240 GPa, vlačna čvrstoća je 3,5 GPa, a istezanje doseže 1,5%. Ove vrijednosti su iste kao i kod karbonskih vlakana Toray Universal grade T300 koja se koriste za sportsku opremu itd.
12) recikliranje i iskorištavanje materijala od karbonskih vlakana korištenjem postupka 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 isplativosti recikliranja korištenja karbonskih vlakana. Recikliranje se odvija u dvije faze: vlakna se prvo moraju izdvojiti iz kompozita 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 izrade papira ili reorganizirati u usmjerena vlakna.“
Istraživači su izračunali da se karbonska vlakna mogu dobiti iz otpada kompozita od karbonskih vlakana korištenjem postupka fluidiziranog sloja, što zahtijeva samo 5 dolara/kg i manje od 10% energije potrebne za proizvodnju primarnih karbonskih vlakana. Reciklirana karbonska vlakna proizvedena postupcima fluidiziranog sloja jedva smanjuju modul, a vlačna čvrstoća se smanjuje za 18% do 50% u odnosu na primarna karbonska vlakna, što ih čini prikladnima za primjene koje zahtijevaju visoku krutost, a ne čvrstoću. "Reciklirana karbonska vlakna mogu biti prikladna 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 Državama
U lipnju 2016., istraživači s Tehnološkog instituta Georgia u Sjedinjenim Državama namočili su karbonska vlakna u otapalu koje sadrži alkohol kako bi otopili epoksidnu smolu, a odvojena vlakna i epoksidne smole mogu se ponovno upotrijebiti, što je uspješno postiglo oporavak karbonskih vlakana.
U srpnju 2017., Sveučilište Washington State također je razvilo tehnologiju oporavka ugljičnih vlakana, koristeći slabu kiselinu kao katalizator, tekući etanol na relativno niskim temperaturama za razgradnju termoreaktivnih materijala, razgrađena ugljična vlakna i smola se čuvaju odvojeno i mogu se staviti u reprodukciju.
14) Razvoj tehnologije 3D ispisa s karbonskim vlaknima u laboratoriju LLNL, SAD
U ožujku 2017. godine, Nacionalni laboratorij Lawrence Livemore (LLNL) u Sjedinjenim Državama razvio je prve 3D printane visokoučinkovite kompozite od karbonskih vlakana zrakoplovne kvalitete. Koristili su 3D metodu ispisa izravnim prijenosom tinte (DIW) za stvaranje složenih trodimenzionalnih struktura koje su uvelike poboljšale brzinu obrade za upotrebu u automobilskoj, zrakoplovnoj, obrambenoj industriji, motociklističkim natjecanjima i surfanju.
15) Sjedinjene Američke Države, Koreja i Kina surađuju u razvoju karbonskih vlakana za proizvodnju energije
U kolovozu 2017., kampus Sveučilišta u Teksasu u Dallasu, Sveučilište Hanyang u Koreji, Sveučilište Nankai u Kini i druge institucije surađivale su na razvoju materijala od karbonskih vlakana za proizvodnju energije. Pređa se prvo namače u otopinama elektrolita poput slane otopine, što omogućuje ionima u elektrolitu da se vežu za površinu ugljikovih nanocjevčica, koje se mogu pretvoriti u električnu energiju kada se pređa zategne ili rastegne. Materijal se može koristiti na bilo kojem mjestu s pouzdanom kinetičkom energijom i prikladan je za napajanje IoT senzora.
16) Novi napredak u istraživanju ugljičnih vlakana od lignina drva postignut od strane Kineza i Amerikanaca
U ožujku 2017. godine, tim za posebna vlakna Instituta za tehnologiju materijala i inženjerstvo u Ningbu pripremio je lignin-akrilonitrilni kopolimer s dobrom predivošću i toplinskom stabilnošću korištenjem tehnologije esterifikacije i dvostepene modifikacije kopolimerizacijom slobodnih radikala. Visokokvalitetni kontinuirani filamenti dobiveni su korištenjem kopolimera i postupka mokrog predenja, a kompaktna karbonska vlakna dobivena su nakon toplinske stabilizacije i karbonizacije.
U kolovozu 2017., istraživački tim Birgitte Ahring sa Sveučilišta Washington u Sjedinjenim Državama pomiješao je lignin i poliakrilonitril u različitim omjerima, a zatim upotrijebio tehnologiju 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 te se očekivalo da će se koristiti u proizvodnji jeftinijih materijala od karbonskih vlakana za automobilske ili zrakoplovne dijelove.
Krajem 2017. godine, Nacionalni laboratorij za obnovljivu energiju (NREL) objavio 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 te ih kombiniraju s jeftinim katalizatorima kako bi proizveli ciljane proizvode.
17) Japan razvija prvu automobilsku šasiju od termoplastičnog kompozita ojačanog ugljičnim vlaknima
U listopadu 2017. japanska Agencija za istraživanje i razvoj, koja je integrirala novu tehnologiju energetske industrije i Nacionalni istraživački centar za kompozite Sveučilišta Nagoya, uspješno su razvili prvu svjetsku termoplastičnu kompozitnu automobilsku šasiju ojačanu ugljičnim vlaknima. Koristeći automatski proces izravnog online oblikovanja termoplastičnih kompozita ojačanih dugim vlaknima, kontinuirano miješanje čestica ugljičnih vlakana i termoplastične smole, proizvodeći kompozite ojačane vlaknima, a zatim zagrijavanjem i taljenjem spajajući, uspješno su proizvedene termoplastične CFRP automobilske šasije.
5. prijedlozi za istraživanje i razvoj tehnologije karbonskih vlakana u Kini
5.1 Izgled usmjeren prema budućnosti, usmjeren na ciljeve, fokus na proboj treće generacije tehnologije karbonskih vlakana
Kineska tehnologija karbonskih vlakana druge generacije još nije sveobuhvatan proboj. Naša zemlja trebala bi pokušati biti usmjerena na budućnost i okupiti relevantne istraživačke institucije usmjerene na prikupljanje ključnih tehnologija. Fokusirajte se na istraživanje i razvoj visokoučinkovite tehnologije pripreme karbonskih vlakana treće generacije (tj. primjenjive u zrakoplovnoj industriji, tehnologiji karbonskih vlakana visoke čvrstoće i visokog modula elastičnosti) te na tehnologiju kompozitnih materijala od karbonskih vlakana razvijenu za automobilsku industriju, građevinarstvo i popravke te druge lagane i jeftine proizvode od karbonskih vlakana velikih dimenzija, tehnologiju aditivne proizvodnje, tehnologiju recikliranja i tehnologije brze izrade prototipa.
5.2 Koordinacija organizacije, jačanje podrške, uspostavljanje velikih tehničkih projekata za kontinuiranu podršku istraživačkoj suradnji
Trenutno u Kini postoji mnogo institucija koje provode istraživanja karbonskih vlakana, ali moć je raspršena i ne postoji jedinstveni mehanizam organizacije istraživanja i razvoja niti snažna financijska podrška za učinkovitu koordinaciju. Sudeći prema iskustvu razvoja razvijenih zemalja, organizacija i raspored velikih projekata igraju veliku ulogu u promicanju razvoja ovog tehničkog područja. Trebali bismo se usredotočiti na prednost kineske istraživačke i razvojne snage, s obzirom na kineski proboj u tehnologiji istraživanja i razvoja karbonskih vlakana, kako bismo pokrenuli velike projekte, ojačali suradničke tehnološke inovacije i stalno promovirali razinu kineske tehnologije istraživanja karbonskih vlakana, konkurenciju za međunarodna karbonska vlakna i kompozite.
5.3 Poboljšanje mehanizma evaluacije usmjerenosti na učinak primjene tehničkih postignuća
S gledišta ekonometrijske analize SCI radova, kineska karbonska vlakna kao visokočvrsti materijal koriste se u raznim područjima istraživanja, ali za proizvodnju i tehnologiju pripreme karbonskih vlakana, posebno s naglaskom na smanjenju troškova, poboljšanje učinkovitosti proizvodnje zahtijeva manje istraživanja. Proces proizvodnje karbonskih vlakana je dug, ključne tehnološke točke, visoke proizvodne barijere, što je multidisciplinarna i multitehnološka integracija. Potrebno je prevladati tehničke prepreke kako bi se učinkovito promoviralo istraživanje i razvoj tehnologije pripreme jezgre "niske cijene i visokih performansi", s jedne strane, potrebno je ojačati ulaganja u istraživanje, a s druge strane, potrebno je oslabiti područje evaluacije uspješnosti znanstvenih istraživanja, ojačati smjernice za evaluaciju učinka primjene tehničkih postignuća i preći s "kvantitativne" evaluacije, koja se fokusira na objavljivanje rada, na "kvalitetnu" evaluaciju vrijednosti rezultata.
5.4 Jačanje razvoja složenih talenata vrhunske tehnologije
Visokotehnološki atribut tehnologije karbonskih vlakana određuje važnost specijaliziranih talenata, a to je li riječ o vrhunskom tehničkom osoblju koje izravno određuje razinu istraživanja i razvoja institucije.
Kao rezultat povezanosti istraživanja i razvoja tehnologije karbonskih vlakana, trebali bismo obratiti pozornost na obuku složenog osoblja kako bismo osigurali koordinaciju i razvoj svih veza. Osim toga, iz povijesti razvoja istraživanja karbonskih vlakana u Kini, protok ključnih tehnoloških stručnjaka često je ključni čimbenik koji utječe na razinu istraživanja i razvoja istraživačke institucije. Održavanje fiksacije ključnih stručnjaka i istraživačko-razvojnih timova u proizvodnim procesima, kompozitima i glavnim proizvodima važno je za kontinuiranu tehnološku nadogradnju.
Trebali bismo nastaviti jačati obuku i korištenje specijaliziranog visokotehnološkog osoblja u ovom području, poboljšati politiku evaluacije i tretmana talenata za tehnološka istraživanja i razvoj, ojačati razvoj mladih talenata, aktivno podržavati suradnju i razmjenu s naprednim stranim istraživačko-razvojnim institucijama te snažno uvoditi strane napredne talente itd. To će igrati veliku ulogu u promicanju razvoja istraživanja karbonskih vlakana u Kini.
Citirano iz-
Analiza razvoja globalne tehnologije karbonskih vlakana i njezinog utjecaja na Kinu. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang ming, Ba jin, Chen Yunwei.Svjetsko znanstveno-tehnološko istraživanje i razvoj.2018.
Vrijeme objave: 04.12.2018.