Koltrefjar eru ólífræn fjölliðaþræðir með kolefnisinnihald yfir 95%, með lága eðlisþyngd, mikinn styrk, háan hitaþol, mikla efnafræðilega stöðugleika, þreytuþol, slitþol og aðra framúrskarandi grunn eðlis- og efnafræðilega eiginleika, og hafa mikla titringsdeyfingu, góða leiðni í varmaleiðni, rafsegulvörn og lágan varmaþenslustuðul og aðra eiginleika. Þessir framúrskarandi eiginleikar gera koltrefjar mikið notaðar í flug- og geimferðum, járnbrautarflutningum, ökutækjaframleiðslu, vopnum og búnaði, byggingarvélum, innviðaframleiðslu, skipaverkfræði, jarðolíuverkfræði, vindorku, íþróttavörum og öðrum sviðum.
Byggt á stefnumótandi þörfum þjóðarinnar fyrir kolefnisþráðaefni hefur Kína skráð það sem eina af kjarnatækni vaxandi atvinnugreina sem leggur áherslu á stuðning. Í þjóðaráætluninni „Tólf og fimm“ er undirbúningur og notkunartækni á háafköstum kolefnisþráðum ein af kjarnatækni stefnumótandi vaxandi atvinnugreina sem ríkið styður. Í maí 2015 gaf ríkisráðið opinberlega út „Made in China 2025“, þar sem ný efni eru eitt af lykilatriðunum fyrir öfluga kynningu og þróun, þar á meðal háafköst byggingarefni og háþróuð samsett efni eru í brennidepli í þróun á sviði nýrra efna. Í október 2015 gaf iðnaðarráðuneytið opinberlega út „Kínverska framleiðslu- og upplýsingaiðnaðarráðuneytið“ „Kínverska framleiðslu- og tækniáætlunina fyrir lykilatriði 2025“, þar sem „háafköstum trefjum og samsettum efnum þeirra“ er ætlað að vera lykil stefnumótandi efni, og markmiðið fyrir árið 2020 er að „innlend kolefnisþráðasamsett efni uppfylli tæknilegar kröfur stórra flugvéla og annars mikilvægs búnaðar“. Í nóvember 2016 gaf ríkisráðið út þjóðaráætlunina „Þrettán og fimm“ um þróun nýrra iðnaðar, þar sem skýrt er tekið fram að styrkja samstarf í nýrri efnisiðnaði, bæði uppstreymis og niðurstreymis, í kolefnisþráðasamsetningum og öðrum sviðum til að framkvæma tilraunakennslu á samvinnuforritum og byggja upp samvinnuforritavettvang. Í janúar 2017 mótuðu iðnaðar- og þróunarráðuneytið, NDRC, vísinda- og tækniráðuneytið og fjármálaráðuneytið sameiginlega „Leiðbeiningar um þróun nýrra efnisiðnaðar“ og lögðu til að frá og með árinu 2020 „í kolefnisþráðasamsetningum, hágæða sérstöku stáli, háþróuðum léttum málmblöndum og öðrum sviðum verði náð iðnvæðingu og notkun á meira en 70 lykilnýjum efnum og byggt upp stuðningskerfi fyrir vinnslubúnað sem samsvarar þróunarstigi kínverska nýrra efnisiðnaðar.“
Þar sem kolefnisþræðir og samsett efni þeirra gegna mikilvægu hlutverki í þjóðarvörnum og lífsviðurværi fólksins, einbeita margir sérfræðingar sér að þróun sinni og greiningu á rannsóknarþróun. Dr. Zhou Hong fór yfir vísindalegt og tæknilegt framlag bandarískra vísindamanna á fyrstu stigum þróunar á háþróaðri kolefnisþráðatækni og rannsakaði og greindi frá 16 helstu notkunarsviðum og nýlegum tækniframförum kolefnisþráða. Dr. Wei Xin fór yfir framleiðslutækni, eiginleika og notkun pólýakrýlnítríl kolefnisþráða og núverandi tækniþróun þeirra. Það setur einnig fram nokkrar uppbyggilegar tillögur um vandamálin sem eru uppi í þróun kolefnisþráða í Kína. Að auki hafa margir framkvæmt rannsóknir á mælifræðilegri greiningu á greinum og einkaleyfum á sviði kolefnisþráða og samsettra efna þeirra. Til dæmis, Ma Xianglin og aðrir frá sjónarhóli mælifræði frá dreifingu og notkun kolefnisþráða á greiningarsviðinu 1998-2017; Yang Sisi og fleiri byggðu á innnography-vettvangi fyrir alþjóðlega einkaleyfaleit og tölfræðigögn um kolefnisþráðaefni, frá árlegri þróun einkaleyfa, einkaleyfishafa, einkaleyfistækni og kjarna einkaleyfis tækninnar eru greind.
Frá sjónarhóli rannsókna og þróunar á koltrefjum eru rannsóknir Kína nánast samstilltar við heiminn, en þróunin er hæg. Framleiðsla á afkastamiklum koltrefjum og gæðum er munur á útlöndum. Það er brýn þörf á að flýta fyrir rannsóknar- og þróunarferlinu, efla stefnumótun og nýta tækifæri til framtíðarþróunar iðnaðarins. Þess vegna kannar þessi grein fyrst verkefnaskipulag landa á sviði koltrefjarannsókna til að skilja skipulagningu rannsókna og þróunarleiða í ýmsum löndum. Í öðru lagi, vegna þess að grunnrannsóknir og notkunarrannsóknir á koltrefjum eru mjög mikilvægar fyrir tæknilegar rannsóknir og þróun á koltrefjum, höfum við framkvæmt mælifræðilegar greiningar út frá fræðilegum rannsóknarniðurstöðum - SCI-ritum og hagnýtum rannsóknarniðurstöðum - einkaleyfum á sama tíma til að fá alhliða skilning á rannsóknar- og þróunarframvindu á sviði koltrefja og til að skanna nýlegar rannsóknarþróanir á þessu sviði til rannsókna og þróunarframvindu Peep International Frontier. Að lokum, byggt á ofangreindum rannsóknarniðurstöðum, eru nokkrar tillögur að rannsóknar- og þróunarleiðum á sviði koltrefja í Kína lagðar fram.
2. Ckolefnisþráðurskipulag rannsóknarverkefnishelstu lönd/svæði
Helstu framleiðslulönd koltrefja eru Japan, Bandaríkin, Suður-Kórea, nokkur Evrópulönd, Taívan og Kína. Þróunarlönd sem eru á fyrstu stigum þróunar koltrefjatækni hafa áttað sig á mikilvægi þessa efnis, hafa framkvæmt stefnumótandi skipulagningu og stuðlað kröftuglega að þróun koltrefjaefna.
2.1 Japan
Japan er þróaðasta landið í koltrefjatækni. Þrjú fyrirtæki, Toray, Bong og Mitsubishi Liyang í Japan, standa fyrir um 70%~80% markaðshlutdeild í koltrefjaframleiðslu á heimsvísu. Engu að síður leggur Japan mikla áherslu á að viðhalda styrk sínum á þessu sviði, sérstaklega þróun á afkastamiklum koltrefjum og orku- og umhverfisvænni tækni, með sterkum stuðningi frá mönnum og fjárhagslegum krafti, og í ýmsum grunnstefnumálum, þar á meðal grunnorkuáætlun, stefnumótun fyrir efnahagsvöxt og Kýótóbókuninni, hefur þetta verið stefnumótandi verkefni sem ætti að efla. Byggt á grunnstefnu þjóðarinnar um orku og umhverfismál hefur efnahags-, iðnaðar- og fasteignaráðuneyti Japans lagt fram „Rannsóknar- og þróunaráætlun um orkusparandi tækni“. Með stuðningi ofangreindrar stefnu hefur japanski koltrefjaiðnaðurinn getað miðstýrt öllum þáttum auðlinda á skilvirkari hátt og stuðlað að lausnum á sameiginlegum vandamálum í koltrefjaiðnaðinum.
„Tækniþróun eins og nýstárleg byggingarefni“ (2013-2022) er verkefni sem framkvæmt er innan ramma „Framtíðarþróunarrannsóknarverkefnisins“ í Japan til að ná fram verulegum árangri í þróun nauðsynlegrar nýstárlegrar byggingarefnatækni og samsetningar mismunandi efna, með það aðalmarkmið að draga úr léttleika (helmingi minni en þyngd bíla) samgöngutækja. Og loksins að átta sig á hagnýtri notkun þess. Eftir að hafa tekið við rannsóknar- og þróunarverkefninu árið 2014 þróaði Iðnaðartækniþróunarstofnunin (NEDO) nokkur undirverkefni þar sem heildarmarkmið rannsóknarverkefnisins „Nýstárleg grunnrannsókn og þróun á koltrefjum“ voru: að þróa ný forverasambönd koltrefja; að skýra myndunarferli kolefnisbygginga; og að þróa og staðla aðferðir til að meta koltrefja. Verkefnið, sem Háskólinn í Tókýó stýrði og með samstarfi frá Iðnaðartæknistofnuninni (NEDO), Toray, Teijin, Dongyuan og Mitsubishi Liyang, náði verulegum árangri í janúar 2016 og er annað stórt bylting á sviði kolefnisþráða sem byggjast á pönnum eftir að „Kondo-stillingin“ var fundin upp í Japan árið 1959.
2.2 Bandaríkin
Bandaríska varnarmálaráðuneytið (DARPA) hóf verkefnið Advanced Structural Fiber árið 2006 með það að markmiði að sameina leiðandi vísindarannsóknarhóp landsins til að þróa næstu kynslóð byggingarþráða byggðar á koltrefjum. Með stuðningi þessa verkefnis braut rannsóknarteymi Georgia Institute of Technology í Bandaríkjunum í gegnum tækni til að undirbúa hrávír árið 2015, jók teygjustuðul þess um 30% og gaf Bandaríkjunum þannig þróunargetu þriðju kynslóðar koltrefja.
Árið 2014 tilkynnti orkumálaráðuneyti Bandaríkjanna (DOE) um 11,3 milljóna dollara styrk til tveggja verkefna um „fjölþrepa hvataferli til að umbreyta óætum lífmassasykri í akrýlnítríl“ og „rannsóknir og hagræðingu á akrýlnítríli sem unnið er úr lífmassaframleiðslu“ til að stuðla að notkun landbúnaðarúrgangs, rannsóknir á hagkvæmum endurnýjanlegum, afkastamiklum koltrefjaefnum til framleiðslu á endurnýjanlegum hráefnum sem ekki eru matvælatengd, svo sem viðarlífmassa, og áætlanir um að lækka framleiðslukostnað endurnýjanlegra koltrefja úr lífmassa niður í minna en $5/lb fyrir árið 2020.
Í mars 2017 tilkynnti bandaríska orkumálaráðuneytið aftur um 3,74 milljónir dollara í fjármögnun „ódýrra rannsóknar- og þróunarverkefnis um kolefnisþráðaþætti“ undir forystu Western American Institute (WRI), sem einbeitir sér að þróun ódýrra kolefnisþráðaþátta sem byggja á auðlindum eins og kolum og lífmassa.
Í júlí 2017 tilkynnti bandaríska orkumálaráðuneytið um 19,4 milljónir dala til að styðja við rannsóknir og þróun á háþróuðum orkusparandi ökutækjum, þar af 6,7 milljónir til að fjármagna undirbúning ódýrra kolefnisþráða með því að nota tölvureikniefni, þar á meðal þróun fjölþættra matsaðferða fyrir samþætta tölvutækni til að meta ástríðu nýrra forvera kolefnisþráða. Þéttleikafallsfræði með aðstoð sameindadynamíkar, vélanám og önnur verkfæri eru notuð til að þróa nýjustu tölvuverkfæri til að bæta skilvirkni vals á ódýrum kolefnisþráðahráefnum.
2.3 Evrópa
Evrópski koltrefjaiðnaðurinn þróaðist í Japan og Bandaríkjunum á áttunda eða níunda áratug 20. aldar, en vegna tækni og fjármagns náðu mörg fyrirtæki sem framleiða eingöngu koltrefja ekki að fylgja hraðvaxandi eftirspurn eftir koltrefjum eftir 2000 árum og hurfu. Þýska fyrirtækið SGL er eina fyrirtækið í Evrópu sem hefur stóran hlut í koltrefjamarkaði heimsins.
Í nóvember 2011 hleypti Evrópusambandið af stokkunum Eucarbon-verkefninu, sem miðar að því að uppfæra framleiðslugetu evrópskrar framleiðslu á koltrefjum og forþvegnum efnum fyrir geimferðir. Verkefnið stóð yfir í fjögur ár og fjárfesti í því samtals 3,2 milljónir evra. Í maí 2017 tókst að koma á fót fyrstu sérstöku framleiðslulínu Evrópu fyrir koltrefjaframleiðslu fyrir geimferðir eins og gervihnetti. Þetta gerði Evrópu kleift að losna við innflutningsháðni sína og tryggja öryggi framboðs á efnum.
Í sjöunda rammaáætlun ESB er gert ráð fyrir að styðja verkefnið „virkar kolefnisþræðir við undirbúning nýs forverakerfis með hagkvæmri og stjórnanlegri afköstum“ (FIBRALSPEC) (2014-2017) að fjárhæð 6,08 milljónir evra. Fjögurra ára verkefnið, undir forystu Tækniháskólans í Aþenu í Grikklandi, með þátttöku fjölþjóðlegra fyrirtækja eins og Ítalíu, Bretlands og Úkraínu, beinist að því að nýsköpun og bæta ferlið við samfellda undirbúning á kolefnisþráðum úr pólýakrýlnítríl til að ná fram tilraunakenndri framleiðslu á kolefnisþráðum úr samfelldu pönnuformi. Verkefnið hefur lokið þróun og notkun kolefnisþráða og bættrar samsettrar tækni úr endurnýjanlegum lífrænum fjölliðuauðlindum (eins og ofurþéttum, hraðskýlum, svo og frumgerðum af vélrænum rafmagnssnúningshúðunarvélum og þróun framleiðslulína fyrir nanótrefjar o.s.frv.).
Fjöldi iðnaðargeira, svo sem bílaiðnaður, vindorka og skipasmíði, þarfnast léttra og afkastamikla samsettra efna, sem er gríðarlegur möguleiki á markaði fyrir koltrefjaiðnaðinn. ESB fjárfestir 5,968 milljónir evra til að hleypa af stokkunum Carboprec verkefninu (2014-2017), en stefnumótandi markmið þess er að þróa ódýr forvera úr endurnýjanlegum efnum sem eru víða til staðar í Evrópu og að auka framleiðslu á afkastamikilli koltrefjum með kolefnisnanórörum.
Rannsóknarverkefnið Cleansky II hjá Evrópusambandinu fjármagnaði rannsóknarverkefnið „Rannsóknir og þróun á samsettum dekkjum“ (2017), undir forystu Fraunhofer-stofnunarinnar fyrir framleiðslu og kerfisáreiðanleika (LBF) í Þýskalandi, sem hyggst þróa framhjólahluti fyrir kolefnisstyrktar samsettar flugvélar fyrir Airbus A320. Markmiðið er að draga úr þyngd um 40% samanborið við hefðbundin málmefni. Verkefnið er fjármagnað um það bil 200.000 evrur.
2.4 Kórea
Rannsóknir og þróun og iðnvæðing kolefnisframleiðslu í Suður-Kóreu hófust seint, rannsóknir og þróun hófust árið 2006 og árið 2013 hófust framkvæmdir formlega og snéri við stöðunni þar sem kóreska kolefnisframleiðslan var algjörlega háð innflutningi. Fyrir sveitarfélagið Xiaoxing og Taiguang Business, sem fulltrúa brautryðjenda í iðnaðinum, sem eru virkir þátttakendur í hönnun kolefnisframleiðslu, er þróunin sterk. Að auki hefur kolefnisframleiðslugrunnur Toray Japan í Kóreu einnig stuðlað að kolefnismarkaðnum í Kóreu.
Kóreska ríkisstjórnin hefur kosið að gera Xiaoxing-hópinn að samkomustað fyrir nýsköpunariðnað í koltrefjaiðnaði. Markmiðið er að mynda klasa koltrefjaiðnaðarins, stuðla að þróun skapandi efnahagslegs vistkerfis á öllu norðurhlutanum. Endanlegt markmið er að mynda eina heildarframleiðslukeðju fyrir koltrefjaefni → hluta → fullunnar vörur. Með því að koma á fót ræktunarklasa fyrir koltrefjaiðnaðinn í samræmi við Silicon Valley í Bandaríkjunum, nýta nýja markaði, skapa nýjan virðisauka og ná markmiðinu um 10 milljarða dala í útflutningi á koltrefjatengdum vörum (jafngildir um 55,2 milljörðum júana) fyrir árið 2020.
3. greining á alþjóðlegum rannsóknum og rannsóknarniðurstöðum á kolefnisþráðum
Þessi undirkafli telur upp SCI-greinar sem tengjast rannsóknum á koltrefjum og niðurstöður einkaleyfa DII frá árinu 2010, til að greina fræðilegar rannsóknir og iðnaðarrannsóknir og þróun á alþjóðlegri koltrefjatækni á sama tíma og skilja til fulls framfarir rannsókna og þróunar á koltrefjatækni á alþjóðavettvangi.
Gögn fengin úr Scie gagnagrunninum og Dewent gagnagrunninum í Web of Science gagnagrunninum sem Clarivate Analytics gefur út; sótt tímabil: 2010-2017; sótt dagsetning: 1. febrúar 2018.
SCI pappírsöflunaraðferð: Ts = ((kolefnisþráður* eða kolefnisþráður* eða ("kolefnisþráður*" ekki "koltrefjaplast") eða "kolefnisþráður*" eða "kolefnisþráður*" eða ((pólýakrýlnítríl eða biki) og "forveri*" og trefjar*) eða ("grafítþráður*")) ekki ("bambus kolefni")).
Einkaleyfaleitarstefna Dewent: Ti=((kolefnisþráður* eða kolefnisþráður* eða ("Kolefnisþráður*" ekki "kolefnistrefjar") eða "kolefnisþráður*" eða "kolefnisþráður*" eða ((pólýakrýlnítríl eða bik) og "forveri*" og trefjar*) eða ("grafíttrefjar*")) ekki ("bambuskolefni")) eða TS=((kolefnisþráður* eða kolefnisþráður* eða ("Kolefnisþráður*" ekki "kolefnistrefjar") eða "kolefnisþráður*" eða "kolefnisþráður*" eða ((pólýakrýlnítríl eða bik) og "forveri*" og trefjar*) eða ("grafíttrefjar*")) ekki ("bambuskolefni")) og IP=(D01F-009/12 eða D01F-009/127 eða D01F-009/133 eða D01F-009/14 eða D01F-009/145 eða D01F-009/15 eða D01F-009/155 eða D01F-009/16 eða D01F-009/17 eða D01F-009/18 eða D01F-009/20 eða D01F-009/21 eða D01F-009/22 eða D01F-009/24 eða D01F-009/26 eða D01F-09/28 eða D01F-009/30 eða D01F-009/32 eða C08K-007/02 eða C08J-005/04 eða C04B-035/83 eða D06M-014/36 eða D06M-101/40 eða D21H-013/50 eða H01H-001/027 eða H01R-039/24).
3.1 þróun
Frá árinu 2010 hafa 16.553 viðeigandi greinar verið birtar um allan heim og sótt hefur verið um einkaleyfi á 26.390 uppfinningum, og öll þessi verkefni sýna stöðuga uppsveiflu ár frá ári (Mynd 1).
3.2 Dreifing eftir löndum eða svæðum
Tíu efstu stofnanirnar með mesta framleiðslu á rannsóknum á kolefnisþráðum í heiminum eru frá Kína, og af þeim fimm efstu eru: Kínverska vísindaakademían, Tækniháskólinn í Harbin, Tækniháskólinn í Norðvestur-Englandi, Háskólinn í Donghua og Flug- og geimvísindastofnunin í Peking. Meðal erlendra stofnana eru Indverski tækniháskólinn, Háskólinn í Tókýó, Háskólinn í Bristol, Háskólinn í Monash, Háskólinn í Manchester og Tækniháskólinn í Georgíu á bilinu 10 til 20 (Mynd 3).
Fjöldi einkaleyfisumsókna í efstu 30 stofnununum, Japan er með 5 og 3 þeirra eru í efstu fimm, Toray fyrirtækið er í fyrsta sæti, þar á eftir koma Mitsubishi Liyang (2. sæti), Teijin (4. sæti), East State (10. sæti), Japan Toyo Textile Company (24. sæti), Kína er með 21 stofnun, Sinopec Group er með flesta einkaleyfi, í þriðja sæti, í öðru lagi eru Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter kapalfyrirtækið, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry o.fl., Kínverska vísindaakademían í Shanxi Coal Application Patent 66, í 27. sæti, Suður-Kóreskar stofnanir eru með 2, þar af er Xiaoxing Co., Ltd. í fyrsta sæti, í 8. sæti.
Framleiðsla stofnana, aðallega frá háskólum og vísindastofnunum, einkaleyfisframleiðsla aðallega frá fyrirtækinu, má sjá að kolefnisþráðaframleiðsla er hátækniiðnaður, sem meginþáttur í rannsóknum og þróun kolefnisþráðaiðnaðarins, leggur fyrirtækið mikla áherslu á verndun rannsóknar- og þróunartækni kolefnisþráða, sérstaklega tvö helstu fyrirtæki í Japan, fjöldi einkaleyfa er langt á undan.
3.4 Rannsóknarsvæði
Rannsóknargreinar um koltrefjaefni fjalla um flest rannsóknarefni: Koltrefjasamsetningar (þar á meðal koltrefjastyrktar samsetningar, fjölliðusamsetningar o.s.frv.), rannsóknir á vélrænum eiginleikum, greiningu á endanlegum þáttum, kolefnisnanórör, aflagun, styrkingu, þreytu, örbyggingu, rafstöðusnúning, yfirborðsmeðferð, aðsog og svo framvegis. Greinar sem fjalla um þessi leitarorð eru 38,8% af heildarfjölda greina.
Einkaleyfi á uppfinningum koltrefja ná yfir flest efni sem tengjast framleiðslu koltrefja, framleiðslubúnaðar og samsettra efna. Meðal þeirra eru Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin og önnur fyrirtæki sem sérhæfa sig í mikilvægri tæknilegri hönnun á sviði „koltrefjastyrktra fjölliðaefna“. Auk þess eiga Toray og Mitsubishi Liyang stóran hluta einkaleyfisins í „framleiðslu á koltrefjum og framleiðslubúnaði“, „með ómettuðum nítrílum, svo sem pólýakrýlónítríli, pólývínýliden sýaníði og etýleni í framleiðslu á koltrefjum“ og annarri tækni, og japanska fyrirtækið Teijin hefur stóran hluta einkaleyfisins í „koltrefja- og súrefnisefnasamsetningum“.
China Sinopec Group, Peking Chemical University, Chinese Academy of Sciences Ningbo Materials í "pólýakrýlnítríl framleiðslu á kolefnisþráðum og framleiðslubúnaði" hefur stóran hluta af einkaleyfisútlitinu; Að auki hefur Beijing University of Chemical Engineering, Shanxi Coal Chemical Institute og Chinese Academy of Sciences Ningbo efnisútlitið "Notkun ólífrænna frumefna sem innihaldsefni í undirbúningi fjölliðaefnasambanda" tækni, Harbin Institute of Technology, einbeitt sér að útliti "kolefnisþráðameðferðar", "kolefnisþráða og súrefnisinnihaldandi efnasambanda" og annarra tækni.
Þar að auki kemur fram í árlegri tölfræðilegri dreifingu alþjóðlegra einkaleyfa að fjöldi nýrra heitra staða hefur byrjað að koma fram á síðustu þremur árum, svo sem: „Samsetningar úr pólýamíðum sem fengnar eru með myndun karboxýlat-tengiviðbragða í aðalkeðjunni“, „pólýestersamsetningar með myndun 1 karboxýlsýruestertengja í aðalkeðjunni“, „samsett efni byggt á tilbúnum efnum“, „hringlaga karboxýlsýru-innihaldandi súrefnissambönd sem innihaldsefni í kolefnisþráðasamsetningum“, „í þrívíddarformi storknunar eða meðhöndlunar á textílefnum“, „ómettuð eter, asetal, hálfasetal, ketón eða aldehýð eingöngu með kolefnis-kolefnis ómettuðum tengiviðbrögðum til framleiðslu á fjölliðasamböndum“, „adiabatísk efni í pípu eða kapli“, „Kolefnisþráðasamsetningar með fosfatesterum sem innihaldsefni“ og svo framvegis.
Á undanförnum árum hefur rannsóknir og þróun í koltrefjaiðnaðinum komið fram, og flestir byltingarkenndir atburðirnir koma frá Bandaríkjunum og Japan. Nýjasta tækni beinist ekki aðeins að framleiðslu og undirbúningi koltrefja, heldur einnig að notkun í fjölbreyttari bílaefnum, svo sem léttum efnum, 3D prentun og orkuframleiðslu. Að auki hafa afrek eins og endurvinnsla og framleiðsla koltrefjaefna, undirbúningur viðarligníns og annarra afreka verið björt. Dæmigerðar niðurstöður eru lýstar hér að neðan:
1) Tækniháskólinn í Georgíu í Bandaríkjunum brýtur fram þriðju kynslóðar koltrefjatækni
Í júlí 2015, með fjármögnun frá DARPA, jók Tækniháskólinn í Georgíu (Georgia Institute of Technology), með nýstárlegri pönnu-byggðri koltrefjasnúningstækni, verulega teygjustífleika sinn og fór fram úr Hershey IM7 koltrefjatækni, sem nú er mikið notuð í herflugvélum, og markaði þar með annað landið í heiminum til að ná tökum á þriðju kynslóð koltrefjatækni á eftir Japan.
Togstyrkur gelspinninga koltrefja frá Kumarz nær 5,5 til 5,8 Gpa og togstuðullinn er á bilinu 354-375 gpa. „Þetta er samfellda trefjan sem hefur verið tilkynnt um með hæsta styrk og teygjustuðul fyrir alhliða afköst. Í stuttum þráðum er togstyrkurinn allt að 12,1 Gpa, sem er það sama og pólýakrýlnítríl koltrefjan með hæsta styrk.“
2) Rafsegulbylgjuhitunartækni
Árið 2014 þróaði Nedo rafsegulbylgjuhitunartækni. Rafsegulbylgjukolunartækni vísar til notkunar rafsegulbylgjuhitunartækni til að kolefnisbinda trefjar við andrúmsloftsþrýsting. Afköst kolefnisþráðanna eru í grundvallaratriðum þau sömu og kolefnisþráðar sem framleiddir eru með háhita, teygjustuðullinn getur náð meira en 240 GPA og slitlengingin er meira en 1,5%, sem er fyrsta velgengni í heiminum.
Trefjalíkt efni er kolsýrt með rafsegulbylgjum, þannig að ekki er þörf á kolsýringarofnbúnaði sem notaður er til háhitahitunar. Þetta ferli dregur ekki aðeins úr þeim tíma sem þarf til kolsýringar, heldur dregur einnig úr orkunotkun og dregur úr losun CO2.
3) fínstýring á kolefnismyndunarferlinu
Í mars 2014 tilkynnti Toray um farsæla þróun á t1100g kolefnisþráðum. Toray notar hefðbundna pönnulausnarsnúningstækni til að fínstýra kolefnismyndunarferlinu, bæta örbyggingu kolefnisþráða á nanóskala, stjórna stefnu örkristallaðra grafíta, stærð örkristalla, göllum og svo framvegis í trefjunum eftir kolefnismyndun, þannig að styrkur og teygjustuðull geti aukist verulega. Togstyrkur t1100g er 6,6GPa, sem er 12% hærri en T800, og teygjustuðullinn er 324GPa og hefur aukist um 10%, sem er að komast inn á iðnvæðingarstig.
4) Yfirborðsmeðferðartækni
Teijin East State hefur þróað plasma-yfirborðsmeðferðartækni sem getur stjórnað útliti koltrefja á örfáum sekúndum. Þessi nýja tækni einfaldar verulega allt framleiðsluferlið og dregur úr orkunotkun um 50% samanborið við núverandi yfirborðsmeðferðartækni fyrir vatnslausnir úr rafvökvum. Ennfremur kom í ljós eftir plasma-meðferð að viðloðun trefja og plastefnis batnaði einnig.
5) rannsókn á varðveisluhraða togstyrks kolefnisþráða í grafítumhverfi við háan hita
Ningbo materials framkvæmdi með góðum árangri ítarlega rannsókn á ferlagreiningu, uppbyggingarrannsóknum og afköstum hagræðingar á innlendum hástyrktum og hámótuðum koltrefjum, sérstaklega rannsóknum á varðveisluhraða togstyrks koltrefja í háhita grafítumhverfi, og nýlegri vel heppnaðri framleiðslu á hástyrktum og hærri koltrefjum með togstyrk 5,24 GPa og togstuðli 593 GPa. Það heldur áfram að hafa þann kost að hafa togstyrk samanborið við japanska Toray m60j hástyrkta, hámótaða koltrefja (togstyrkur 3,92 GPa, togstuðull 588 GPa).
6) Örbylgjuofnsgrafít
Yongda Advanced Materials hefur með góðum árangri þróað einkaleyfi Bandaríkjanna á grafíttækni fyrir ofurháan hita, til að framleiða meðal- og hærri flokks kolefnisþræði. Það hefur tekist að brjóta í gegnum þrjá flöskuhálsa í þróun háflokks kolefnisþráða. Grafítbúnaður er dýr og undir alþjóðlegri stjórn, efnafræðileg tækni hráefnis er erfið, framleiðsluafköstin lág og kostnaður mikill. Hingað til hefur Yongda þróað þrjár gerðir af kolefnisþráðum, sem allar hafa hækkað styrk og teygjueiginleika upprunalegu tiltölulega lággæða kolefnisþráðanna á nýjar hæðir.
7) Ný aðferð til að bræða spuna á pönnu-byggðum kolefnisþráðum hráum vír frá Fraunhofer, Þýskalandi
Fraunhofer-stofnunin fyrir hagnýtar fjölliður (Applied polymer Research, IAP) tilkynnti nýlega að hún muni sýna nýjustu Comcarbon-tæknina á flugsýningunni í Berlín þann 25. apríl 2018. Þessi tækni dregur verulega úr framleiðslukostnaði fjöldaframleiddra koltrefja.
Mynd 4. Spunning á bræðslu hrávírs.
Það er vel þekkt að í hefðbundnum ferlum fer helmingur framleiðslukostnaðar kolefnisþráða úr pönnu í framleiðslu á hrávír. Þar sem hrávírinn bráðnar ekki verður að framleiða hann með dýrri lausnarsnúningsaðferð (Solution Spinning). „Í þessu skyni höfum við þróað nýja aðferð til framleiðslu á hrásilki úr pönnu, sem getur lækkað framleiðslukostnað hrávírs um 60%. Þetta er hagkvæm og framkvæmanleg bræðslusnúningsaðferð, þar sem notaður er sérþróaður samrunninn pönnu-samfjölliða.“ Útskýrði Dr. Johannes Ganster, ráðherra líffræðilegra fjölliða hjá Fraunhofer IAP stofnuninni.
8) Plasmaoxunartækni
4M Carbon fiber tilkynnti að það muni nota plasmaoxunartækni til að framleiða og selja hágæða, ódýra kolefnisþræði sem stefnumótandi áherslu, ekki bara til að fá leyfi fyrir tækninni. 4M fullyrðir að plasmaoxunartækni sé þrisvar sinnum hraðari en hefðbundin oxunartækni, en orkunotkunin sé minni en þriðjungur af hefðbundinni tækni. Og þessar yfirlýsingar hafa verið staðfestar af mörgum alþjóðlegum kolefnisþráðaframleiðendum, sem eru í samráði við fjölda stærstu kolefnisþráðaframleiðenda heims og bílaframleiðendur til að taka þátt sem frumkvöðlar að framleiðslu á ódýrum kolefnisþráðum.
9) Nanótrefjar úr sellulósa
Háskólinn í Kyoto í Japan, ásamt nokkrum helstu íhlutabirgjum eins og rafmagnsuppsetningarfyrirtækinu (stærsti birgir Toyota) og Daikyonishikawa Corp., vinnur að þróun plastefna sem sameina sellulósa-nanótrefjar. Þetta efni er búið til með því að brjóta viðarkvoðu í nokkrar míkronur (1 á hverja þúsund mm). Þyngd nýja efnisins er aðeins einn fimmti af þyngd stáls, en styrkur þess er fimm sinnum meiri en stáls.
10) Framhlið kolefnisþráða úr pólýólefíni og ligníni
Þjóðarrannsóknarstofan Oak Ridge í Bandaríkjunum hefur unnið að rannsóknum á koltrefjum með lágum kostnaði frá árinu 2007 og hefur þróað framhluta koltrefja fyrir hráefni úr pólýólefíni og ligníni, sem og háþróaða tækni fyrir plasmaforoxun og örbylgjuofnakolefnismyndun.
11) Nýja fjölliðan (forverafjölliðan) var þróuð með því að fjarlægja eldfasta meðferð
Í framleiðsluaðferðinni sem Háskólinn í Tókýó leiðir hefur verið þróað nýtt fjölliða (forverafjölliða) til að fjarlægja eldföst efni. Meginatriðið er að eftir að fjölliðan hefur verið spunnin í silki, framkvæmir hún ekki upprunalegu eldföstu efnin heldur veldur því að hún oxast í leysiefninu. Örbylgjuofnhitunartækið er síðan hitað í meira en 1000 ℃ til að kolefnisbinda. Upphitunartíminn tekur aðeins 2-3 mínútur. Eftir kolefnisbindandi meðferð er einnig notað plasma til að framkvæma yfirborðsmeðferð, þannig að hægt sé að framleiða kolefnisþræði. Plasmameðferð tekur minna en 2 mínútur. Á þennan hátt er hægt að stytta upprunalega sintunartímann, sem er 30-60 mínútur, í um 5 mínútur. Í nýju framleiðsluaðferðinni er plasmameðferð framkvæmd til að bæta tengingu milli kolefnisþráða og hitaplasts sem CFRP grunnefnis. Togteygjustuðull kolefnisþráða sem framleiddir eru með nýju framleiðsluaðferðinni er 240GPa, togstyrkurinn er 3,5GPa og teygjan nær 1,5%. Þessi gildi eru þau sömu og í Toray Universal-koltrefjaflokknum T300 sem notaður er í íþróttavörur o.s.frv.
12) Endurvinnsla og nýting kolefnisþráðaefna með því að nota fljótandi rúmsferli
Mengran Meng, fyrsti höfundur rannsóknarinnar, sagði: „Endurheimt koltrefja dregur úr umhverfisáhrifum samanborið við framleiðslu á hráum koltrefjum, en takmörkuð vitund er um mögulegar endurvinnslutækni og efnahagslega hagkvæmni þess að endurvinna koltrefjanýtingu.“ Endurvinnsla fer fram í tveimur stigum: fyrst verður að endurheimta trefjarnar úr koltrefjasamsetningunum og brjóta þær niður með vélrænni malaðri efni eða með því að nota hitasundrun eða fljótandi rúmsferla. Þessar aðferðir fjarlægja plasthluta samsetta efnisins og skilja eftir koltrefjar, sem síðan er hægt að breyta í flækjuþræði með blautpappírsframleiðslutækni eða endurskipuleggja í stefnubundnar trefjar.
Rannsakendurnir reiknuðu út að hægt væri að endurheimta kolefnistrefjar úr úrgangi úr samsettum kolefnistrefjum með því að nota fljótandi rúmsferli, sem þyrfti aðeins 5 dollara/kg og minna en 10% af þeirri orku sem þarf til að framleiða aðal kolefnistrefjarnar. Endurunnar kolefnistrefjar sem framleiddar eru með fljótandi rúmsferlum draga varla úr togstyrk og togstyrkur minnkar um 18% til 50% miðað við aðal kolefnistrefjar, sem gerir þær hentugar fyrir notkun sem krefst mikils stífleika frekar en styrks. „Endurunnar kolefnistrefjar geta hentað fyrir notkun sem ekki er burðarvirki og krefst léttleika, svo sem í bílaiðnaði, byggingariðnaði, vindorku- og íþróttaiðnaði,“ sagði Meng.
13) Ný tækni til endurvinnslu koltrefja þróuð í Bandaríkjunum
Í júní 2016 lögðu vísindamenn við Georgia Institute of Technology í Bandaríkjunum kolefnisþræði í bleyti í leysi sem innihélt alkóhól til að leysa upp epoxy plastefnið. Aðskildu trefjarnar og epoxy plastefnið var hægt að endurnýta og náðu þannig árangri í endurheimt kolefnisþráða.
Í júlí 2017 þróaði Washington State University einnig tækni til að endurheimta kolefnisþræði, þar sem veik sýra er notuð sem hvati, fljótandi etanól er notað við tiltölulega lágt hitastig til að brjóta niður hitaþolin efni, sem varðveitir niðurbrot kolefnisþræði og plastefni sérstaklega og hægt er að fjölga þeim.
14) Þróun á þrívíddarprentun með koltrefjableki í rannsóknarstofu LLNL í Bandaríkjunum
Í mars 2017 þróaði Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) í Bandaríkjunum fyrstu þrívíddarprentaðu, afkastamikla, flugtengdu kolefnissamsettu efnin. Þeir notuðu þrívíddarprentunaraðferð með beinni blekflutningi (DIW) til að búa til flóknar þrívíddarbyggingar sem bættu verulega vinnsluhraða til notkunar í bílaiðnaði, flug- og geimferðum, varnarmálum, mótorhjólakeppnum og brimbrettaiðnaði.
15) Bandaríkin, Kórea og Kína vinna saman að þróun koltrefja til orkuframleiðslu.
Í ágúst 2017 unnu háskólasvæði Texas-háskóla í Dallas, Hanyang-háskóla í Kóreu, Nankai-háskóla í Kína og aðrar stofnanir saman að þróun á kolefnisþráðarefni til orkuframleiðslu. Þráðurinn er fyrst lagður í bleyti í raflausnum eins og saltvatni, sem gerir jónunum í raflausninni kleift að festast við yfirborð kolefnisnanóröranna, sem hægt er að breyta í raforku þegar þráðurinn er hert eða teygður. Efnið er hægt að nota hvar sem er með áreiðanlegri hreyfiorku og hentar til að veita IoT skynjurum orku.
16) Nýjar framfarir í rannsóknum á viðarlignínkolefnisþráðum sem Kínverjar og Bandaríkjamenn hafa fengið.
Í mars 2017 útbjó sérstakt trefjateymi Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering lignín-akrýlnítríl samfjölliðu með góðri spinnanleika og hitastöðugleika með því að nota tveggja þrepa breytingartækni með esterun og sindurefnasamfjölliðun. Hágæða samfelldar þræðir fengust með því að nota samfjölliðu og blautspunaaðferðina og þétta kolefnisþráðinn fékkst eftir hitastöðugleika og kolefnismeðhöndlun.
Í ágúst 2017 blandaði rannsóknarteymi Birgitte Ahring við Háskólann í Washington í Bandaríkjunum ligníni og pólýakrýlnítríli saman í mismunandi hlutföllum og notaði síðan bræðslusnúningstækni til að breyta blönduðum fjölliðum í kolefnisþræði. Rannsóknin leiddi í ljós að lignínið sem bætt var við 20%~30% hafði ekki áhrif á styrk kolefnisþráðanna og búist var við að það yrði notað í framleiðslu á ódýrari kolefnisþráðaefnum fyrir bíla- eða flugvélahluti.
Í lok árs 2017 birti Þjóðarrannsóknarstofnunin fyrir endurnýjanlega orku (NREL) rannsóknir á framleiðslu akrýlnítríls með því að nota úrgangshluta plantna, svo sem maísstrá og hveitistrá. Fyrst brjóta þeir niður plöntuefni í sykur og breyta þeim síðan í sýrur og sameina þá ódýrum hvötum til að framleiða markafurðir.
17) Japan þróar fyrsta undirvagn bíls úr kolefnistrefjum styrktum hitaplastssamsettum samsetningum
Í október 2017 þróuðu japanska nýja orkuiðnaðarstofnunin, R&D, og Nagoya-háskólann í Nagoya, National Composites Research Center, fyrsta bílaundirvagninn í heimi sem er styrktur úr kolefnistrefjum og hitaplasti. Þeir nota sjálfvirka beinlínumótun á löngum trefjum og hitaplasti, samfellda blöndun á kolefnistrefjum og hitaplastískum ögnum, framleiða trefjastyrkt samsett efni og síðan með hitun og bræðslu til að framleiða hitaplast CFRP bílundirvagna með góðum árangri.
5. tillögur um rannsóknir og þróun á koltrefjatækni í Kína
5.1 Framsýn skipulagning, markmiðsmiðuð, áhersla á að brjóta í gegnum þriðju kynslóð kolefnisþráðatækni
Önnur kynslóð koltrefjatækni Kína er ekki enn byltingarkennd. Landið okkar ætti að reyna að vera framsækið í skipulagningu sem mun sameina viðeigandi rannsóknarstofnanir, einbeita sér að því að nýta lykiltækni, leggja áherslu á rannsóknir og þróun á þriðju kynslóð háafkastamikillar koltrefjatækni (þ.e. hástyrktar koltrefjatækni með háum stuðli fyrir flug- og geimferðir) og þróun á tækni fyrir koltrefjasamsett efni, þar á meðal fyrir bílaiðnaðinn, byggingariðnaðinn og viðgerðir og aðrar léttar og ódýrar stórar koltrefjaframleiðslur, aukefnaframleiðslutækni fyrir koltrefjasamsett efni, endurvinnslutækni og hraðfrumgerð.
5.2 Samhæfingarstofnun, styrkja stuðning, setja upp stór tæknileg verkefni til að styðja stöðugt við samstarfsrannsóknir
Eins og er eru margar stofnanir í Kína sem stunda rannsóknir á kolefnisþráðum, en völd þeirra eru dreifð og það er enginn sameinaður rannsóknar- og þróunarkerfi og sterkur fjármögnunarstuðningur til að samræma árangursríka þróun. Miðað við reynslu þróaðra ríkja af þróun gegnir skipulag og uppsetning stórverkefna mikilvægu hlutverki í að efla þróun þessa tæknisviðs. Við ættum að einbeita okkur að kostum Kína í rannsóknar- og þróunarstarfi, í ljósi byltingarkenndrar rannsóknar- og þróunartækni Kína á sviði kolefnisþráða, styrkja samstarf í tækninýjungum og stöðugt efla tæknistig Kína í rannsóknum á kolefnisþráðum og alþjóðlegri samkeppni um kolefnisþráða og samsett efni.
5.3 Að bæta matsferlið á áhrifastefnu tæknilegra afreka
Frá sjónarhóli hagfræðilegrar greiningar á SCI-ritum eru kolefnisþræðir Kína notaðir sem hágæðaefni á ýmsum sviðum rannsókna. En hvað varðar framleiðslu og undirbúningstækni kolefnisþráða er áherslan lögð á að draga úr kostnaði og auka framleiðsluhagkvæmni með minni rannsóknum. Framleiðsluferlið fyrir kolefnisþræði er langt, tæknin er lykilatriði, framleiðsluhindranir eru miklar, það er fjölgreinaleg og fjölþætt tæknileg samþætting, sem krefst þess að brjóta niður tæknilegar hindranir og stuðla á áhrifaríkan hátt að rannsóknum og þróun á kjarna undirbúningstækninnar „ódýrum og afkastamiklum“. Annars vegar þarf að efla fjárfestingu í rannsóknum, hins vegar þarf að veikja mat á frammistöðu vísindarannsókna, styrkja leiðsögn um mat á áhrifum beitingar á tæknilegum árangri og færa sig frá „magnbundnu“ mati, sem beinist að útgáfu greinarinnar, yfir í „gæðamat“ á gildi niðurstaðnanna.
5.4 Að efla ræktun á hæfni í fremstu röð tækni
Hátæknileg einkenni kolefnisþráðatækni ákvarða mikilvægi sérhæfðra hæfileika, og hvort þeir hafa yfir að ráða hæfu tæknilegu starfsfólki ræður beint stigi rannsókna og þróunar stofnunar.
Vegna rannsókna- og þróunartengsla í kolefnisþráðatækni ættum við að huga að þjálfun starfsfólks í efnasamböndum til að tryggja samræmingu og þróun allra tengsla. Þar að auki, miðað við þróunarsögu kolefnisþráðarannsókna í Kína, er straumur tæknilegra sérfræðinga oft lykilþáttur sem hefur áhrif á rannsóknar- og þróunarstig rannsóknarstofnana. Að viðhalda festu kjarna sérfræðinga og rannsóknar- og þróunarteyma í framleiðsluferlum, samsettum efnum og helstu vörum er mikilvægt fyrir stöðugar tækniuppfærslur.
Við ættum að halda áfram að efla þjálfun og notkun sérhæfðs hátæknifólks á þessu sviði, bæta mats- og meðferðarstefnu fyrir hæfileika í tæknirannsóknum og þróun, styrkja ræktun ungra hæfileika, styðja virkan samstarf og skipti við erlendar háþróaðar rannsóknar- og þróunarstofnanir og kynna kröftuglega erlent háþróað hæfileikafólk o.s.frv. Þetta mun gegna mikilvægu hlutverki í að efla þróun rannsókna á kolefnistrefjum í Kína.
Tilvitnun frá-
Greining á þróun alþjóðlegrar koltrefjatækni og uppljómun hennar fyrir Kína. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Rannsóknir og þróun á heimsvísu í vísinda- og tæknigeiranum.2018
Birtingartími: 4. des. 2018