Anglies pluoštas yra neorganinė polimerinė pluošto medžiaga, kurios anglies kiekis viršija 95 %, pasižyminti mažu tankiu, dideliu stiprumu, atsparumu aukštai temperatūrai, dideliu cheminiu stabilumu, atsparumu nuovargiui, dilimui ir kitomis puikiomis pagrindinėmis fizinėmis ir cheminėmis savybėmis, taip pat dideliu vibracijos slopinimu, geru laidumu šilumai, elektromagnetiniu ekranavimu ir mažu šiluminio plėtimosi koeficientu. Šios puikios savybės leidžia anglies pluoštui plačiai naudoti aviacijos ir kosmoso, geležinkelių transporto, transporto priemonių gamybos, ginklų ir įrangos, statybinių mašinų, infrastruktūros statybos, jūrų inžinerijos, naftos inžinerijos, vėjo energetikos, sporto prekių ir kitose srityse.
Remdamasi nacionaliniais strateginiais anglies pluošto medžiagų poreikiais, Kinija jį įtraukė į pagrindinių besiformuojančių pramonės šakų, į kurias daugiausia dėmesio skiriama, technologijų sąrašą. Nacionaliniame „Dvylikos penkių“ mokslo ir technologijų planavime didelio našumo anglies pluošto paruošimo ir taikymo technologijos yra viena iš pagrindinių valstybės remiamų strateginių besiformuojančių pramonės šakų technologijų. 2015 m. gegužės mėn. Valstybės taryba oficialiai paskelbė „Pagaminta Kinijoje 2025“ – naująsias medžiagas kaip vieną iš pagrindinių intensyvaus skatinimo ir plėtros sričių, įskaitant didelio našumo konstrukcines medžiagas, pažangius kompozitus, kurie yra naujų medžiagų srities plėtros dėmesio centre. 2015 m. spalio mėn. Pramonės ir informacijos pramonės ministerija oficialiai paskelbė „Kinijos gamybos 2025 pagrindinių sričių technologijų planą“, kuriame „didelio našumo pluoštas ir jo kompozitai“ buvo įvardinti kaip pagrindinė strateginė medžiaga, o 2020 m. tikslas – „vietiniai anglies pluošto kompozitai, atitinkantys didelių orlaivių ir kitos svarbios įrangos techninius reikalavimus“. 2016 m. lapkritį Valstybės taryba paskelbė nacionalinį strateginį besiformuojančių pramonės šakų plėtros planą „Trylika penki“, kuriame aiškiai nurodyta stiprinti naujų medžiagų pramonės bendradarbiavimo paramą tiekėjų ir vartotojų grandyje, anglies pluošto kompozitų ir kitose srityse, atlikti bendradarbiavimo bandomuosius taikymus, sukurti bendradarbiavimo taikymų platformą. 2017 m. sausio mėn. Pramonės ir plėtros ministerija, NDRC, Mokslo ir technologijų ministerija bei Finansų ministerija kartu parengė „Naujų medžiagų pramonės plėtros vadovą“ ir pasiūlė nuo 2020 m. „anglies pluošto kompozitų, aukštos kokybės specialiojo plieno, pažangių lengvųjų lydinių medžiagų ir kitose srityse pasiekti daugiau nei 70 pagrindinių naujų medžiagų industrializaciją ir taikymą, sukurti procesų įrangos palaikymo sistemą, atitinkančią Kinijos naujų medžiagų pramonės išsivystymo lygį“.
Kadangi anglies pluoštas ir jo kompozitai atlieka svarbų vaidmenį nacionalinėje gynyboje ir žmonių pragyvenimui, daugelis ekspertų daugiausia dėmesio skiria jų plėtrai ir tyrimų tendencijų analizei. Dr. Zhou Hong apžvelgė Amerikos mokslininkų mokslinį ir technologinį indėlį ankstyvuosiuose didelio našumo anglies pluošto technologijos kūrimo etapuose, išnagrinėjo ir pateikė 16 pagrindinių anglies pluošto taikymo sričių ir naujausių technologinių pasiekimų, o dr. Wei Xin ir kt. apžvelgė poliakrilnitrilo anglies pluošto gamybos technologiją, savybes ir pritaikymą bei dabartinę jo technologinę plėtrą. Taip pat pateikiami konstruktyvūs pasiūlymai, kaip spręsti anglies pluošto plėtros Kinijoje problemas. Be to, daugelis žmonių atliko tyrimus, susijusius su anglies pluošto ir jo kompozitų srities straipsnių ir patentų metrologine analize. Pavyzdžiui, Ma Xianglin ir kiti metrologijos požiūriu nagrinėjo 1998–2017 m. anglies pluošto patentų platinimo ir taikymo analizės srityje aspektus; Yang Sisi ir kiti, remdamiesi inografijos platforma, analizavo pasaulinę anglies pluošto audinių patentų paiešką ir duomenų statistiką, atsižvelgdami į metines patentų, patentuotojų, patentų technologijų karštųjų taškų ir pagrindinių technologijos patentų plėtros tendencijas.
Žvelgiant iš anglies pluošto tyrimų ir plėtros trajektorijos perspektyvos, Kinijos tyrimai beveik sinchronizuoti su pasauliu, tačiau plėtra yra lėta, didelio našumo anglies pluošto gamybos mastas ir kokybė, palyginti su užsienio šalimis, turi atotrūkį, todėl reikia skubiai paspartinti tyrimų ir plėtros procesą, tobulinti strateginį išdėstymą ir pasinaudoti būsimomis pramonės plėtros galimybėmis. Todėl šiame straipsnyje pirmiausia nagrinėjamas šalių anglies pluošto tyrimų projektų išdėstymas, siekiant suprasti tyrimų ir plėtros krypčių planavimą įvairiose šalyse, ir, antra, kadangi anglies pluošto fundamentiniai tyrimai ir taikomieji tyrimai yra labai svarbūs techniniams anglies pluošto tyrimams ir plėtrai, atliekame metrologinę analizę, remdamiesi akademinių tyrimų rezultatais, SCI straipsniais ir taikomųjų tyrimų rezultatais bei patentais, kad gautume išsamų supratimą apie tyrimų ir plėtros pažangą anglies pluošto srityje ir palygintume naujausius tyrimų pokyčius šioje srityje su „Peep International Frontier“ tyrimų ir plėtros pažanga. Galiausiai, remiantis minėtais tyrimų rezultatais, pateikiami keli pasiūlymai dėl tyrimų ir plėtros krypties anglies pluošto srityje Kinijoje.
2. Canglies pluoštastyrimo projekto išdėstymaspagrindinės šalys / regionai
Pagrindinės anglies pluošto gamintojos yra Japonija, Jungtinės Valstijos, Pietų Korėja, kai kurios Europos šalys, Taivanas ir Kinija. Pažangios technologijos šalys ankstyvajame anglies pluošto technologijos kūrimo etape suprato šios medžiagos svarbą, įgyvendino strateginį planavimą ir aktyviai skatino anglies pluošto medžiagų plėtrą.
2.1 Japonija
Japonija yra labiausiai išsivysčiusi anglies pluošto technologijų šalis. Trys Japonijos bendrovės – „Toray“, „Bong“ ir „Mitsubishi Liyang“ – užima apie 70–80 % pasaulinės anglies pluošto gamybos rinkos. Nepaisant to, Japonija teikia didelę reikšmę savo stipriųjų pusių išlaikymui šioje srityje, ypač kuriant didelio našumo anglies pluoštą ir energiją bei aplinką tausojančias technologijas, teikiant didelę žmogiškąją ir finansinę paramą, o daugelyje pagrindinių politikos krypčių, įskaitant pagrindinį energetikos planą, strateginius ekonomikos augimo planus ir Kioto protokolą, tai tapo strateginiu projektu, kurį reikėtų plėtoti. Remdamasi pagrindine nacionaline energetikos ir aplinkosaugos politika, Japonijos ekonomikos, pramonės ir turto ministerija pateikė „Energiją taupančių technologijų mokslinių tyrimų ir plėtros programą“. Remdamasi šia politika, Japonijos anglies pluošto pramonė sugebėjo efektyviau centralizuoti visus išteklių aspektus ir skatinti bendrų anglies pluošto pramonės problemų sprendimą.
„Technologijų, tokių kaip inovatyvių naujų konstrukcinių medžiagų, plėtra“ (2013–2022 m.) – tai projektas, įgyvendinamas pagal „Ateities plėtros tyrimų projektą“ Japonijoje, kuriuo siekiama reikšmingai pasiekti reikiamų inovatyvių konstrukcinių medžiagų technologijų ir skirtingų medžiagų derinių kūrimą, o pagrindinis tikslas – sumažinti transporto priemonės lengvąją masę (pusę automobilio svorio). Ir galiausiai įgyvendinti praktinį pritaikymą. 2014 m. perėmusi tyrimų ir plėtros projektą, Pramonės technologijų plėtros agentūra (NEDO) parengė kelis subprojektus, kuriuose bendri anglies pluošto tyrimų projekto „Inovatyvūs anglies pluošto fundamentiniai tyrimai ir plėtra“ tikslai buvo: sukurti naujus anglies pluošto pirmtakų junginius; išaiškinti karbonizacijos struktūrų susidarymo mechanizmą; ir sukurti bei standartizuoti anglies pluošto vertinimo metodus. Projektas, kuriam vadovauja Tokijo universitetas ir kuriame kartu dalyvauja Pramonės technologijų institutas (NEDO), „Toray“, „Teijin“, „Dongyuan“ ir „Mitsubishi Liyang“, 2016 m. sausio mėn. padarė didelę pažangą ir yra dar vienas didelis proveržis panardinant pagaminto anglies pluošto srityje po 1959 m. Japonijoje išrasto „Kondo režimo“.
2.2 Jungtinės Valstijos
JAV gynybos ikiteisminių tyrimų agentūra (DARPA) 2006 m. pradėjo projektą „Pažangus struktūrinis pluoštas“, kurio tikslas – suvienyti dominuojančią šalies mokslinių tyrimų pajėgas, kad būtų sukurti naujos kartos struktūriniai pluoštai, pagrįsti anglies pluoštu. Remiama šio projekto, 2015 m. Džordžijos technologijos instituto (JAV) tyrimų komanda sukūrė proveržį žaliavinės vielos paruošimo technologijos srityje, 30 % padidindama jos elastingumo modulį ir pažymėdama Jungtines Valstijas trečiosios kartos anglies pluošto plėtros pajėgumais.
2014 m. Jungtinių Valstijų Energetikos departamentas (DOE) paskelbė apie 11,3 mln. dolerių subsidiją dviem projektams, susijusiems su „daugiapakopiais kataliziniais procesais nevalgomo biomasės cukraus pavertimui akrilnitrilu“ ir „iš biomasės gamybos gauto akrilnitrilo tyrimais ir optimizavimu“, siekiant skatinti žemės ūkio atliekų naudojimą, tyrimus dėl sąnaudų požiūriu konkurencingų atsinaujinančių, didelio našumo anglies pluošto medžiagų, skirtų atsinaujinančių ne maisto pagrindu pagamintų žaliavų, tokių kaip medienos biomasė, gamybai, ir planus iki 2020 m. sumažinti biomasės atsinaujinančių anglies pluoštų gamybos sąnaudas iki mažiau nei 5 USD/lb.
2017 m. kovo mėn. JAV Energetikos departamentas vėl paskelbė apie 3,74 mln. dolerių finansavimą Vakarų Amerikos instituto (WRI) vadovaujamam „mažai kainuojančių anglies pluošto komponentų mokslinių tyrimų ir plėtros projektui“, kurio pagrindinis tikslas – kurti mažai kainuojančius anglies pluošto komponentus, pagrįstus tokiais ištekliais kaip anglis ir biomasė.
2017 m. liepos mėn. JAV Energetikos departamentas paskelbė apie 19,4 mln. dolerių finansavimą pažangių energiją taupančių transporto priemonių tyrimams ir plėtrai remti, iš kurių 6,7 mln. dolerių skirta pigių anglies pluoštų gamybai naudojant skaičiavimo medžiagas, įskaitant daugiamačių vertinimo metodų, skirtų integruotoms kompiuterinėms technologijoms, siekiant įvertinti naujų anglies pluošto pirmtakų potencialą, kūrimą, pažangią molekulinės dinamikos pagalba pagrįstą tankio funkcionalų teoriją, mašininį mokymąsi ir kitas priemones, naudojamas kuriant pažangiausias kompiuterines priemones, skirtas pigių anglies pluošto žaliavų atrankos efektyvumui gerinti.
2.3 Europa
Europos anglies pluošto pramonė išsivystė Japonijoje ir Jungtinėse Amerikos Valstijose XX a. aštuntajame ar devintajame dešimtmetyje, tačiau dėl technologijų ir kapitalo daugelis vieno anglies pluošto gamintojų nebepasiekė didelio anglies pluošto paklausos augimo laikotarpio po 2000 metų ir išnyko. Vokietijos bendrovė SGL yra vienintelė bendrovė Europoje, užimanti didžiąją dalį pasaulinės anglies pluošto rinkos.
2011 m. lapkritį Europos Sąjunga pradėjo „Eucarbon“ projektą, kuriuo siekiama atnaujinti Europos anglies pluošto ir iš anksto impregnuotų medžiagų, skirtų aviacijos ir kosmoso pramonei, gamybos pajėgumus. Projektas truko 4 metus, o bendros investicijos siekė 3,2 mln. eurų, o 2017 m. gegužės mėn. sėkmingai įrengta pirmoji Europoje speciali anglies pluošto gamybos linija, skirta kosmoso reikmėms, tokioms kaip palydovai, taip suteikiant Europai galimybę atsisakyti priklausomybės nuo produktų importo ir užtikrinti medžiagų tiekimo saugą.
ES septintoji bendroji programa planuoja 6,08 mln. eurų skirti „Funkcinio anglies pluošto panaudojimas kuriant naują ekonomiškai efektyvią ir valdomą pirmtakų sistemą“ (FIBRALSPEC) projektui (2014–2017 m.). Ketverių metų trukmės projektas, kuriam vadovauja Atėnų nacionalinis technikos universitetas (Graikija), dalyvaujant tokioms tarptautinėms įmonėms kaip Italija, Jungtinė Karalystė ir Ukraina, yra skirtas inovacijoms ir poliakrilnitrilo pagrindu pagamintų anglies pluoštų nuolatinio paruošimo proceso tobulinimui, siekiant eksperimentinės nuolatinio apdorojimo pan pagrindu pagamintų anglies pluoštų gamybos. Projekto metu sėkmingai užbaigtas anglies pluošto ir patobulintos kompozicinės technologijos iš atsinaujinančių organinių polimerų išteklių (pvz., superkondensatorių, greitosios pagalbos slėptuvių, taip pat mechaninių elektrinių rotacinių dengimo mašinų prototipų ir nanopluoštų gamybos linijų kūrimo ir kt.) kūrimas.
Vis daugiau pramonės sektorių, tokių kaip automobilių, vėjo energetikos ir laivų statybos, reikalauja lengvų, didelio našumo kompozitų, o tai yra didžiulė potenciali anglies pluošto pramonės rinka. ES investuoja 5,968 mln. eurų, kad pradėtų „Carboprec“ projektą (2014–2017 m.), kurio strateginis tikslas – sukurti nebrangius pirmtakus iš atsinaujinančių medžiagų, kurios plačiai naudojamos Europoje, ir padidinti didelio našumo anglies pluošto gamybą naudojant anglies nanovamzdelius.
Europos Sąjungos „Cleansky II“ mokslinių tyrimų programa finansavo projektą „Kompozitinių padangų tyrimai ir plėtra“ (2017 m.), kuriam vadovauja Fraunhoferio gamybos ir sistemų patikimumo institutas (LBF) Vokietijoje. Projekto tikslas – sukurti priekinių ratų komponentus anglies pluoštu sustiprintiems kompozitiniams orlaiviams, skirtiems „Airbus A320“. Tikslas – 40 % sumažinti svorį, palyginti su įprastomis metalinėmis medžiagomis. Projektui skirta maždaug 200 000 EUR.
2.4 Korėja
Pietų Korėjos anglies pluošto moksliniai tyrimai ir plėtra bei industrializacija prasidėjo vėlai, moksliniai tyrimai ir plėtra prasidėjo 2006 m., o 2013 m. oficialiai pradėta praktinė stadija, pakeisdama Korėjos anglies pluošto priklausomybę nuo importo. Pietų Korėjos vietinė „Xiaoxing“ grupė ir „Taiguang Business“, kaip pramonės pradininkų atstovas, aktyviai dalyvaujantys anglies pluošto pramonės išdėstymo srityje, sparčiai vystosi. Be to, „Toray Japan“ įkurta anglies pluošto gamybos bazė Korėjoje taip pat prisidėjo prie pačios anglies pluošto rinkos Korėjoje.
Korėjos vyriausybė pasirinko „xiaoxing“ grupę paversti inovatyvių anglies pluošto pramonės šakų susibūrimo vieta. Tikslas – suformuoti anglies pluošto medžiagų pramonės klasterį, skatinti kūrybinės ekonominės ekosistemos plėtrą visame Šiaurės regione, o galutinis tikslas – suformuoti anglies pluošto medžiagų → dalių → gatavų gaminių vieno langelio gamybos grandinę. Įsteigus anglies pluošto inkubacinį klasterį būtų galima prilygti Silicio slėniui Jungtinėse Valstijose, pasiekti naujas rinkas, sukurti naują pridėtinę vertę ir iki 2020 m. pasiekti 10 mlrd. JAV dolerių anglies pluošto gaminių eksporto tikslą (tai atitinka apie 55,2 mlrd. juanių).
3. Pasaulinių anglies pluošto tyrimų ir tyrimų rezultatų analizė
Šiame poskyryje pateikiami SCI straipsniai, susiję su anglies pluošto tyrimais ir DII patentų rezultatais nuo 2010 m., siekiant vienu metu išanalizuoti pasaulinės anglies pluošto technologijos akademinius ir pramoninius tyrimus bei plėtrą ir visapusiškai suprasti anglies pluošto tyrimų ir plėtros pažangą tarptautiniu mastu.
Duomenys gauti iš „Scie“ ir „Dewent“ duomenų bazių, esančių „Web of Science“ duomenų bazėje, kurią paskelbė „Clarivate Analytics“; paieškos laiko intervalas: 2010–2017 m.; paieškos data: 2018 m. vasario 1 d.
SCI popieriaus paieškos strategija: Ts=((anglies pluoštas* arba anglies pluoštas* arba („Anglies pluoštas*“ ne „anglies stiklo pluoštas“) arba „anglies pluoštas*“ arba „anglies siūlas*“ arba ((poliakrilonitrilas arba derva) ir „pirmtakas*“ ir pluoštas*) arba („grafito pluoštas*“)) ne („bambuko anglis“)).
„Dewent“ patentų paieškos strategija: Ti=((anglies pluoštas* arba anglies pluoštas* arba („Anglies pluoštas*“, o ne „anglies stiklo pluoštas“) arba „anglies pluoštas*“ arba „anglies gija*“ arba ((poliakrilonitrilas arba derva) ir „pirmtakas*“ ir pluoštas*) arba („grafito pluoštas*“)) ne („bambuko anglis“)) arbaTS=((anglies pluoštas* arba anglies pluoštas* arba („Anglies pluoštas*“, o ne „anglies stiklo pluoštas“) arba „anglies gija*“ arba ((poliakrilonitrilas arba derva) ir „pirmtakas*“ ir pluoštas*) arba („grafito pluoštas*“)) ne („bambuko anglis“)) irIP=(D01F-009/12 arba D01F-009/127 arba D01F-009/133 arba D01F-009/14 arba D01F-009/145 arba D01F-009/15 arba D01F-009/155 arba D01F-009/16 arba D01F-009/17 arba D01F-009/18 arba D01F-009/20 arba D01F-009/21 arba D01F-009/22 arba D01F-009/24 arba D01F-009/26 arba D01F-09/28 arba D01F-009/30 arba D01F-009/32 arba C08K-007/02 arba C08J-005/04 arba C04B-035/83 arba D06M-014/36 arba D06M-101/40 arba D21H-013/50 arba H01H-001/027 arba H01R-039/24).
3.1 tendencija
Nuo 2010 m. visame pasaulyje buvo paskelbti 16 553 atitinkami straipsniai ir pateiktos 26 390 išradimų patentų paraiškos, ir visi šie skaičiai kasmet nuolat auga (1 pav.).
3.2 Pasiskirstymas pagal šalį arba regioną
Dešimt geriausių institucijų, parengusių daugiausiai anglies pluošto tyrimų darbų pasaulyje, yra iš Kinijos, iš kurių 5 geriausios yra šios: Kinijos mokslų akademija, Harbino technologijos institutas, Šiaurės vakarų technologijos universitetas, Donghua universitetas, Pekino aeronautikos ir astronautikos institutas. Tarp užsienio institucijų Indijos technologijos institutas, Tokijo universitetas, Bristolio universitetas, Monašo universitetas, Mančesterio universitetas ir Džordžijos technologijos institutas užima 10–20 vietas (3 pav.).
Pagal patentų paraiškų skaičių tarp 30 geriausių institucijų yra Japonijoje, iš kurių 3 yra tarp penkių. Pirmąją vietą užima „Toray“ bendrovė, po jos seka „Mitsubishi Liyang“ (2 vieta), „Teijin“ (4 vieta), „East State“ (10 vieta), Japonijos „Toyo Textile Company“ (24 vieta). Kinija turi 21 instituciją. Didžiausią patentų skaičių turi „Sinopec Group“, užimdama trečią vietą. Antroje vietoje yra Harbino technologijos institutas, „Henan Ke Letter“ kabelinė bendrovė, Donghua universitetas, Kinijos Šanchajaus naftos chemijos įmonė, Pekino chemijos pramonė ir kt. Kinijos mokslų akademijos „Shanxi Coal“ išradimo patento paraiška Nr. 66, užimanti 27 vietą. Pietų Korėjos institucijos turi 2, iš kurių „Xiaoxing Co., Ltd.“ užėmė pirmąją vietą ir 8 vietą.
Išeiga: iš institucijų, daugiausia iš universitetų ir mokslinių tyrimų įstaigų, daugiausia išduodama patentų, anglies pluošto gamyba yra aukštųjų technologijų pramonės šaka. Kadangi anglies pluošto mokslinių tyrimų ir plėtros pramonės pagrindinis subjektas, bendrovė teikia didelę reikšmę anglies pluošto mokslinių tyrimų ir plėtros technologijų apsaugai, ypač dviejų didžiausių Japonijos bendrovių, patentų skaičius gerokai lenkia kitas.
3.4 Tyrimų karštieji taškai
Anglies pluošto moksliniuose darbuose aptariama dauguma tyrimų temų: anglies pluošto kompozitai (įskaitant anglies pluoštu armuotus kompozitus, polimerinės matricos kompozitus ir kt.), mechaninių savybių tyrimai, baigtinių elementų analizė, anglies nanovamzdeliai, delaminacija, armatūra, nuovargis, mikrostruktūra, elektrostatinis verpimas, paviršiaus apdorojimas, adsorbcija ir kt. Su šiais raktažodžiais susiję straipsniai sudaro 38,8 % visų straipsnių.
Anglies pluošto išradimų patentai apima daugiausia temų, susijusių su anglies pluošto gamyba, gamybos įranga ir kompozicinėmis medžiagomis. Tarp jų svarbias technines sritis – „Anglies pluoštu sustiprintų polimerinių junginių“ srityje veikiančios „Japan Toray“, „Mitsubishi Liyang“, „Teijin“ ir kitos įmonės, be to, didelę patentų dalį užima „Poliakrilnitrilo gamyba anglies pluošte ir gamybos įranga“, „su nesočiuoju nitrilu, tokiu kaip poliakrilnitrilas, polivinilidencianidas, etilenas anglies pluošto gamyboje“ ir kitose technologijose, o didesnę patentų dalį užima Japonijos „Teijin“ įmonė, veikianti „Anglies pluošto ir deguonies junginių kompozitų“ srityje.
Kinijos „Sinopec Group“, Pekino chemijos universitetas, Kinijos mokslų akademija Ningbo Materials „poliakrilnitrilo anglies pluošto gamybos ir gamybos įrangos“ srityje turi didelę patentų išdėstymo dalį; be to, Pekino chemijos inžinerijos universitetas, Kinijos mokslų akademija Šansi anglių chemijos institutas ir Kinijos mokslų akademija Ningbo Materials Key Layout technologija „Neorganinių elementų pluošto naudojimas kaip polimerinių junginių paruošimo ingredientų“ yra Harbino technologijos instituto dėmesio centre, daugiausia dėmesio skiriant „anglies pluošto apdorojimo“, „anglies pluošto ir deguonies turinčių junginių kompozitų“ ir kitų technologijų išdėstymui.
Be to, iš metinės pasaulinių patentų statistinės pasiskirstymo statistikos matyti, kad per pastaruosius trejus metus pradėjo ryškėti daug naujų karštų taškų, tokių kaip: „Poliamidų kompozicijos, gautos susidarant karboksilato jungimosi reakcijai pagrindinėje grandinėje“, „poliesterių kompozicijos, susidarant 1 karboksirūgšties esterio jungtims pagrindinėje grandinėje“, „kompozitinė medžiaga, pagrįsta sintetinėmis medžiagomis“, „ciklinės karboksirūgšties turintys deguonies junginiai kaip anglies pluošto kompozitų sudedamosios dalys“, „trimatė tekstilės medžiagų kietinimo arba apdorojimo forma“, „nesočiųjų eterių, acetalių, pusiau acetalių, ketonų arba aldehidų gamyba tik per anglies-anglies nesočiųjų jungčių reakciją polimerinių junginių gamybai“, „adiabatinė vamzdžių ar kabelių medžiaga“, „anglies pluošto kompozitai su fosfato esteriais kaip sudedamosiomis dalimis“ ir kt.
Pastaraisiais metais anglies pluošto sektoriuje atsirado daug mokslinių tyrimų ir plėtros, o dauguma proveržių įvyko Jungtinėse Amerikos Valstijose ir Japonijoje. Naujausios pažangiausios technologijos sutelktos ne tik į anglies pluošto gamybos ir paruošimo technologijas, bet ir į platesnį automobilių medžiagų, tokių kaip lengvosios, 3D spausdinimo ir energijos gamybos medžiagos, pritaikymą. Be to, anglies pluošto medžiagų perdirbimas ir perdirbimas, medienos lignino anglies pluošto paruošimas ir kiti pasiekimai pasižymi ryškiais rezultatais. Toliau aprašomi reprezentatyvūs rezultatai:
1) JAV Džordžijos technologijos institutas sukūrė trečios kartos anglies pluošto technologijas
2015 m. liepą, gavęs DARPA finansavimą, Džordžijos technologijos institutas, naudodamas novatorišką anglies pluošto gelio verpimo ant keptuvės techniką, žymiai padidino savo modulį, pranokdamas „Hershey IM7“ anglies pluoštą, kuris dabar plačiai naudojamas kariniuose orlaiviuose, ir tapo antrąja šalimi pasaulyje po Japonijos, įvaldžiusia trečios kartos anglies pluošto technologiją.
„Kumarz“ pagaminto gelinio verpimo anglies pluošto tempiamasis stipris siekia 5,5–5,8 Gpa, o tempimo modulis – nuo 354 iki 375 gpa. „Tai ištisinis pluoštas, pasižymintis didžiausiu stiprumu ir visapusiškų eksploatacinių savybių moduliu. Trumpų gijų pluošte tempiamasis stipris siekia iki 12,1 Gpa – tai didžiausias poliakrilnitrilo anglies pluošto rodiklis.“
2) Elektromagnetinių bangų šildymo technologija
2014 m. „Nedo“ sukūrė elektromagnetinių bangų kaitinimo technologiją. Elektromagnetinių bangų karbonizavimo technologija – tai pluošto karbonizavimas atmosferos slėgyje naudojant elektromagnetinių bangų kaitinimo technologiją. Gautos anglies pluošto charakteristikos iš esmės yra tokios pačios kaip ir anglies pluošto, pagaminto kaitinant aukštoje temperatūroje, tamprumo modulis gali siekti daugiau nei 240 GPA, o pailgėjimas plyštant yra didesnis nei 1,5 %, o tai yra pirmoji sėkmė pasaulyje.
Pluošto pavidalo medžiaga karbonizuojama elektromagnetinėmis bangomis, todėl nereikia aukštos temperatūros kaitinimui naudojamos karbonizavimo krosnies įrangos. Šis procesas ne tik sutrumpina karbonizavimui reikalingą laiką, bet ir sumažina energijos suvartojimą bei CO2 išmetimą.
3) tikslus karbonizacijos proceso valdymas
2014 m. kovo mėn. „Toray“ paskelbė apie sėkmingą „t1100g“ anglies pluošto sukūrimą. „Toray“ naudoja tradicinę keptuvės tirpalo verpimo technologiją, kad tiksliai kontroliuotų karbonizacijos procesą, pagerintų anglies pluošto mikrostruktūrą nanoskalėje, kontroliuotų grafito mikrokristalinę orientaciją, mikrokristalinį dydį, defektus ir t. t. pluošte po karbonizacijos, taip žymiai padidindama stiprumą ir tamprumo modulį. „t1100g“ tempiamasis stipris yra 6,6 GPa, tai yra 12 % daugiau nei „T800“, o tamprumo modulis yra 324 GPa ir padidėjo 10 %, o tai reiškia, kad įmonė pradeda industrializacijos etapą.
4) Paviršiaus apdorojimo technologija
„Teijin East State“ sėkmingai sukūrė plazminio paviršiaus apdorojimo technologiją, kuri vos per kelias sekundes gali kontroliuoti anglies pluošto išvaizdą. Ši nauja technologija žymiai supaprastina visą gamybos procesą ir 50 % sumažina energijos suvartojimą, palyginti su esama elektrolitų vandeninių tirpalų paviršiaus apdorojimo technologija. Be to, po plazminio apdorojimo pastebėta, kad pagerėjo pluošto ir dervos matricos sukibimas.
5) anglies pluošto tempiamojo stiprumo išlaikymo greičio tyrimas aukštos temperatūros grafito aplinkoje
„Ningbo materials“ sėkmingai atliko išsamų vidaus gamybos didelio stiprumo ir aukšto modulio anglies pluošto procesų analizės, struktūros tyrimų ir našumo optimizavimo tyrimą, ypač tyrinėjo anglies pluošto tempiamojo stiprio išlaikymo greitį aukštos temperatūros grafito aplinkoje, ir neseniai sėkmingai pagamino didelio stiprumo ir didesnio modulio anglies pluoštą, kurio tempiamasis stipris yra 5,24 GPa, o tempimo modulio tūris – 593 GPa. Jis ir toliau turi tempiamojo stiprio pranašumą, palyginti su Japonijos didelio stiprumo, labai liejamu anglies pluoštu „Toray m60j“ (tempimo stipris 3,92 GPa, tempimo modulis 588 GPa).
6) Mikrobangų grafitas
„Yongda Advanced Materials“ sėkmingai sukūrė išskirtinę Jungtinėse Valstijose patentuotą itin aukštos temperatūros grafito technologiją, gaminančią vidutinės ir aukštesnės eilės anglies pluoštą, sėkmingai įveikė tris aukštos eilės anglies pluošto kūrimo kliūtis: grafito įranga yra brangi ir kontroliuojama tarptautinės bendruomenės, sudėtingos yra žaliavinio šilko cheminės technologijos, gamybos našumas yra mažas ir brangus. Iki šiol „Yongda“ sukūrė 3 rūšių anglies pluoštą, kuris pakėlė pradinio, palyginti žemos kokybės, anglies pluošto stiprumą ir modulį į naujas aukštumas.
7) Naujas anglies pluošto žaliavinės vielos lydymo verpimo procesas, kurį sukūrė „Fraunhofer“, Vokietija
Fraunhoferio taikomųjų polimerų institutas (Taikomųjų polimerų tyrimai, IAP) neseniai paskelbė, kad 2018 m. balandžio 25–29 d. Berlyno aviacijos parodoje IIa pristatys naujausią „Comcarbon“ technologiją. Ši technologija gerokai sumažina masinės gamybos anglies pluošto gamybos sąnaudas.
4 pav. Žalios vielos lydymo verpimas.
Gerai žinoma, kad tradiciniuose procesuose pusė panninio pagrindo anglies pluošto gamybos sąnaudų sunaudojama žaliavinės vielos gamybos procese. Kadangi žaliavinė viela negali išsilydyti, ji turi būti gaminama naudojant brangų tirpalinio verpimo procesą (Solution Spinning). „Šiuo tikslu sukūrėme naują panninio pagrindo žaliavinės šilko gamybos procesą, kuris gali sumažinti žaliavinės vielos gamybos sąnaudas 60 %. Tai ekonomiškas ir įgyvendinamas lydymo verpimo procesas, naudojant specialiai sukurtą lydytą panninio pagrindo kopolimerą“, – aiškino dr. Johannesas Gansteris, Fraunhofer IAP instituto biologinių polimerų ministras.
8) Plazminio oksidavimo technologija
„4M Carbon fiber“ paskelbė, kad plazminės oksidacijos technologijos naudojimas aukštos kokybės, nebrangaus anglies pluošto gamyboje ir pardavime bus strateginis tikslas, o ne tik technologijos licencijavimas. „4M“ teigia, kad plazminės oksidacijos technologija yra 3 kartus greitesnė nei įprastinė oksidacijos technologija, o energijos suvartojimas sudaro mažiau nei trečdalį tradicinės technologijos. Šiuos teiginius patvirtino daugelis tarptautinių anglies pluošto gamintojų, kurie konsultuojasi su daugeliu didžiausių pasaulyje anglies pluošto gamintojų ir automobilių gamintojų, kad galėtų inicijuoti nebrangaus anglies pluošto gamybą.
9) Celiuliozės nano pluoštas
Japonijos Kioto universitetas kartu su keliais pagrindiniais komponentų tiekėjais, tokiais kaip elektros instaliacijos įmonė (didžiausia „Toyota“ tiekėja) ir „Daikyonishikawa Corp.“, kuria plastikines medžiagas, kurios jungia celiuliozės nanopluoštus. Ši medžiaga gaminama susmulkinant medienos masę į kelis mikronus (1 tūkstantį mm). Naujos medžiagos svoris tesiekia penktadalį plieno svorio, tačiau jos stiprumas yra penkis kartus didesnis nei plieno.
10) anglies pluošto priekinis korpusas iš poliolefino ir lignino žaliavų
Jungtinių Valstijų Oak Ridge nacionalinė laboratorija nuo 2007 m. atlieka pigių anglies pluošto tyrimų darbus ir sukūrė anglies pluošto priekinius korpusus poliolefino ir lignino žaliavoms, taip pat pažangias plazminio išankstinio oksidavimo ir mikrobangų karbonizavimo technologijas.
11) Naujasis polimeras (pirmtakinis polimeras) buvo sukurtas pašalinant ugniai atsparų apdorojimą
Tokijo universiteto vadovaujamame gamybos metode buvo sukurtas naujas polimeras (pirmtako polimeras), skirtas ugniai atsparaus apdorojimo pašalinimui. Svarbiausia, kad po polimero verpimo į šilką jis neatlieka pradinio ugniai atsparaus apdorojimo, o oksiduoja jį tirpiklyje. Tada mikrobangų kaitinimo įtaisas kaitinamas iki daugiau nei 1000 ℃ karbonizavimui. Kaitinimo laikas trunka tik 2–3 minutes. Po karbonizavimo apdorojimo plazma taip pat naudojama paviršiaus apdorojimui, kad būtų galima pagaminti anglies pluoštą. Plazminis apdorojimas trunka mažiau nei 2 minutes. Tokiu būdu pradinis 30–60 minučių sukepinimo laikas gali būti sutrumpintas iki maždaug 5 minučių. Naujajame gamybos metode plazma apdorojamas siekiant pagerinti anglies pluošto ir termoplastinės dervos, kaip CFRP pagrindinės medžiagos, sukibimą. Naujuoju gamybos metodu pagaminto anglies pluošto tempiamasis tamprumo modulis yra 240 GPa, tempiamasis stipris – 3,5 GPa, o pailgėjimas – 1,5 %. Šios vertės yra tokios pačios kaip ir sporto prekių ir kt. gamyboje naudojamo „Toray Universal“ klasės T300 anglies pluošto.
12) anglies pluošto medžiagų perdirbimas ir utilizavimas naudojant fluidizuoto sluoksnio procesą
Pirmasis tyrimo autorius Mengranas Mengas teigė: „Anglies pluošto išgavimas sumažina poveikį aplinkai, palyginti su neapdoroto anglies pluošto gamyba, tačiau mažai žinoma apie galimas perdirbimo technologijas ir ekonominį anglies pluošto panaudojimo perdirbant procesą pagrįstumą. Perdirbimas vyksta dviem etapais: pirmiausia pluoštai turi būti išgauti iš anglies pluošto kompozitų ir termiškai suskaidyti mechaniškai šlifuojant medžiagas arba naudojant pirolizės ar fluidizuoto sluoksnio procesus. Šie metodai pašalina plastikinę kompozicinės medžiagos dalį, paliekant anglies pluoštą, kurį vėliau galima paversti susivėlusiais pluošto kilimėliais naudojant šlapio popieriaus gamybos technologiją arba pertvarkyti į kryptinius pluoštus.“
Tyrėjai apskaičiavo, kad anglies pluoštą iš anglies pluošto kompozicinių atliekų galima išgauti naudojant fluidizuoto sluoksnio procesą, kuriam reikia tik 5 USD/kg ir mažiau nei 10 % energijos, reikalingos pirminiam anglies pluoštui pagaminti. Perdirbti anglies pluoštai, pagaminti fluidizuoto sluoksnio procesais, beveik nesumažina modulio, o tempiamasis stipris sumažėja 18–50 %, palyginti su pirminiais anglies pluoštais, todėl jie tinka taikymams, kuriems reikalingas didelis standumas, o ne stiprumas. „Perdirbti anglies pluoštai gali tikti nekonstrukcinėms reikmėms, kurioms reikalingas lengvas svoris, pavyzdžiui, automobilių, statybų, vėjo ir sporto pramonei“, – teigė Meng.
13) Jungtinėse Valstijose sukurta nauja anglies pluošto perdirbimo technologija
2016 m. birželio mėn. Džordžijos technologijos instituto (JAV) tyrėjai anglies pluoštą pamirkė tirpiklyje, kuriame yra alkoholio, kad ištirpintų epoksidinę dervą, atskirtus pluoštus ir epoksidines dervas galima pakartotinai panaudoti, sėkmingai realizuojant anglies pluošto regeneraciją.
2017 m. liepos mėn. Vašingtono valstijos universitetas taip pat sukūrė anglies pluošto regeneravimo technologiją, kurioje silpna rūgštis naudojama kaip katalizatorius, skystas etanolis naudojamas santykinai žemoje temperatūroje termoreaktyvioms medžiagoms skaidyti, o suskaidytas anglies pluoštas ir derva yra atskirai išsaugomi ir gali būti naudojami reprodukcijai.
14) 3D spausdinimo anglies pluošto rašalo technologijos kūrimas LLNL laboratorijoje, JAV
2017 m. kovo mėn. Jungtinėse Valstijose įsikūrusi Lawrence'o Livemore'o nacionalinė laboratorija (LLNL) sukūrė pirmuosius 3D spausdintus didelio našumo, aviacijos klasės anglies pluošto kompozitus. Jie panaudojo tiesioginio rašalo perdavimo (DIW) 3D spausdinimo metodą, kad sukurtų sudėtingas trimates struktūras, kurios gerokai padidino apdorojimo greitį ir buvo naudojamos automobilių, aviacijos, gynybos, motociklų varžybose ir banglenčių sporte.
15) Jungtinės Valstijos, Korėja ir Kinija bendradarbiauja plėtojant anglies pluoštą elektros energijos gamybai
2017 m. rugpjūtį Teksaso universiteto Dalaso miestelis, Hanyang universitetas Korėjoje, Nankai universitetas Kinijoje ir kitos institucijos bendradarbiavo kurdamos anglies pluošto siūlų medžiagą elektros energijos gamybai. Pirmiausia siūlai mirkomi elektrolitų tirpaluose, tokiuose kaip sūrymas, kad elektrolite esantys jonai prisijungtų prie anglies nanovamzdelių paviršiaus, o įtempus arba įtempus siūlus, jie gali būti paversti elektros energija. Medžiaga gali būti naudojama bet kurioje vietoje, kurioje yra patikima kinetinė energija, ir tinka tiekti energiją daiktų interneto jutikliams.
16) Nauja pažanga tiriant medienos lignino anglies pluoštą, gautą atitinkamai Kinijos ir Amerikos
2017 m. kovo mėn. Ningbo Medžiagų technologijos ir inžinerijos instituto specialiųjų pluoštų komanda, naudodama esterinimo ir laisvųjų radikalų kopolimerizacijos dviejų pakopų modifikavimo technologiją, parengė lignino ir akrilnitrilo kopolimerą, pasižymintį geru verpimu ir terminiu stabilumu. Naudojant kopolimero ir šlapiojo verpimo procesą, buvo gauti aukštos kokybės ištisiniai siūlai, o po terminio stabilizavimo ir karbonizavimo apdorojimo – kompaktiškas anglies pluoštas.
2017 m. rugpjūtį Birgitte ahring tyrimų komanda Vašingtono universitete (JAV) sumaišė ligniną ir poliakrilnitrilą skirtingomis proporcijomis, o tada, panaudojant lydalo verpimo technologiją, mišrius polimerus pavertė anglies pluoštais. Tyrimo metu nustatyta, kad prie 20–30 % pridėtas ligninas neturėjo įtakos anglies pluošto stiprumui ir buvo tikimasi, kad jis bus naudojamas pigesnių anglies pluošto medžiagų, skirtų automobilių ar orlaivių dalims, gamyboje.
2017 m. pabaigoje Nacionalinė atsinaujinančios energijos laboratorija (NREL) paskelbė tyrimą apie akrilnitrilo gamybą naudojant augalų atliekas, tokias kaip kukurūzų ir kviečių šiaudai. Pirmiausia jos suskaido augalines medžiagas į cukrų, o tada paverčia jas rūgštimis ir sujungia su pigiais katalizatoriais, kad gautų tikslinius produktus.
17) Japonija sukūrė pirmąją anglies pluoštu sustiprintą termoplastinę kompozitinę automobilio važiuoklę
2017 m. spalį Japonijos nauja energetikos pramonės technologijų integruota mokslinių tyrimų agentūra ir Nagojos universiteto Nacionalinis kompozitų tyrimų centras sėkmingai sukūrė pirmąją pasaulyje anglies pluoštu armuotą termoplastinio kompozito automobilio važiuoklę. Jie naudoja automatinį ilgais pluoštais armuotų termoplastinių kompozitų tiesioginio liejimo procesą, nuolat maišydami anglies pluošto ir termoplastinės dervos daleles, gamindami pluoštu armuotus kompozitus, o vėliau, kaitindami ir lydydami, sėkmingai pagamindami termoplastinio CFRP automobilio važiuoklę.
5. pasiūlymai dėl anglies pluošto technologijos tyrimų ir plėtros Kinijoje
5.1 Į ateitį orientuotas, į tikslą orientuotas išdėstymas, dėmesys trečiosios kartos anglies pluošto technologijos įgyvendinimui
Kinijos antros kartos anglies pluošto technologija dar nėra visapusiškas proveržis, todėl mūsų šalis turėtų stengtis sukurti į ateitį orientuotą išdėstymą, kuris suburtų mūsų atitinkamas mokslinių tyrimų institucijas, orientuotas į pagrindinių technologijų įsisavinimą, trečios kartos didelio našumo anglies pluošto paruošimo technologijų tyrimus ir plėtrą (t. y. taikomas aviacijos ir kosmoso pramonei, didelio stiprumo, didelio modulio anglies pluošto technologijai), ir anglies pluošto kompozicinių medžiagų technologijų kūrimą, įskaitant automobilių, statybos ir remonto bei kitų lengvų, nebrangių didelių anglies pluošto paruošimo, priedinės gamybos technologijos anglies pluošto kompozicinių medžiagų, perdirbimo technologijos ir greito prototipų kūrimo technologijas.
5.2 Koordinuojanti organizacija, stiprinant paramą, kuriant svarbius techninius projektus, siekiant nuolat remti bendrus tyrimus
Šiuo metu Kinijoje yra daug institucijų, atliekančių anglies pluošto tyrimus, tačiau galia yra išsklaidyta, nėra vieningo mokslinių tyrimų ir plėtros organizavimo mechanizmo bei tvirtos finansavimo paramos veiksmingam koordinavimui. Sprendžiant iš išsivysčiusių šalių plėtros patirties, didelių projektų organizavimas ir išdėstymas vaidina svarbų vaidmenį skatinant šios techninės srities plėtrą. Turėtume sutelkti dėmesį į Kinijos pranašumą mokslinių tyrimų ir plėtros srityje, atsižvelgiant į Kinijos anglies pluošto proveržį mokslinių tyrimų ir plėtros technologijų srityje, kad pradėtume didelius projektus, stiprintume bendras technologines inovacijas ir nuolat skatintume Kinijos anglies pluošto tyrimų technologijų lygį, konkurenciją dėl tarptautinio anglies pluošto ir kompozitų.
5.3 Techninių pasiekimų taikymo poveikio orientacijos vertinimo mechanizmo tobulinimas
Atlikus SCI straipsnių ekonometrinę analizę, Kinijos anglies pluoštas, kaip didelio stiprumo medžiaga, naudojama įvairiose tyrimų srityse, tačiau anglies pluošto gamybos ir paruošimo technologijoms ypač daug dėmesio skiriama sąnaudų mažinimui ir gamybos efektyvumo gerinimui, todėl tyrimai yra mažiau svarbūs. Anglies pluošto gamybos procesas yra ilgas, technologiniai pagrindai yra dideli, gamybos kliūtys didelės, tai daugiadisciplininė ir daugiatechnologinė integracija, reikia įveikti technines kliūtis, veiksmingai skatinti „pigių, didelio našumo“ branduolio paruošimo technologijų tyrimus ir plėtrą, viena vertus, reikia stiprinti investicijas į mokslinius tyrimus, kita vertus, reikia silpninti mokslinių tyrimų rezultatų vertinimo sritį, stiprinti techninių pasiekimų taikymo poveikio vertinimo gaires ir pereiti nuo „kiekybinio“ vertinimo, kuriame dėmesys skiriamas straipsnio publikavimui, prie „kokybės“ vertinimo – rezultatų vertės.
5.4 Pažangiausių technologijų junginių talentų ugdymo stiprinimas
Aukštųjų technologijų anglies pluošto atributas lemia specializuotų talentų svarbą, o tai, ar jie turi pažangiausius pagrindinius techninius darbuotojus, tiesiogiai lemia institucijos mokslinių tyrimų ir plėtros lygį.
Dėl anglies pluošto technologijų mokslinių tyrimų ir plėtros ryšių turėtume atkreipti dėmesį į junginių personalo mokymą, kad būtų užtikrintas visų ryšių koordinavimas ir plėtra. Be to, atsižvelgiant į anglies pluošto tyrimų raidos istoriją Kinijoje, technologijų pagrindinių ekspertų srautas dažnai yra pagrindinis veiksnys, turintis įtakos mokslinių tyrimų įstaigos mokslinių tyrimų ir plėtros lygiui. Svarbu išlaikyti pagrindinių ekspertų ir mokslinių tyrimų komandų įsitraukimą į gamybos procesus, kompozitus ir pagrindinius produktus, kad būtų galima nuolat atnaujinti technologijas.
Turėtume toliau stiprinti specializuotų aukštųjų technologijų darbuotojų mokymą ir naudojimą šioje srityje, tobulinti technologijų mokslinių tyrimų ir plėtros talentų vertinimo ir gydymo politiką, stiprinti jaunų talentų ugdymą, aktyviai remti bendradarbiavimą ir mainus su užsienio pažangiomis mokslinių tyrimų ir plėtros institucijomis ir aktyviai pristatyti pažangius užsienio talentus ir kt. Tai atliks svarbų vaidmenį skatinant anglies pluošto tyrimų plėtrą Kinijoje.
Cituojama iš -
Pasaulinės anglies pluošto technologijos plėtros ir jos poveikio Kinijai analizė. Tian Yajuan, Zhang Zhiqiang, Tao Cheng, Yang Ming, Ba Jin, Chen Yunwei.Pasauliniai moksliniai ir technologiniai tyrimai bei plėtra.2018 m.
Įrašo laikas: 2018 m. gruodžio 4 d.