Угљенична влакна су неоргански полимерни влакнасти нови неоргански материјал са садржајем угљеника преко 95%, са ниском густином, високом чврстоћом, отпорношћу на високе температуре, високом хемијском стабилношћу, отпорношћу на замор, отпорношћу на хабање и другим одличним основним физичким и хемијским својствима, а поседују и високо пригушивање вибрација, добру проводљивост топлоте, електромагнетну заштиту и низак коефицијент термичког ширења и друге карактеристике. Ова одлична својства чине угљенична влакна широко примењеним у ваздухопловству, железничком саобраћају, производњи возила, оружју и опреми, грађевинским машинама, изградњи инфраструктуре, поморском инжењерству, нафтном инжењерству, енергији ветра, спортској роби и другим областима.
На основу националних стратешких потреба за материјалима од угљеничних влакана, Кина их је навела као једну од основних технологија индустрија у развоју којима је потребна подршка. У националном плану науке и технологије „Дванаест-пет“, технологија припреме и примене високоперформансних угљеничних влакана једна је од основних технологија стратешких индустрија у развоју које подржава држава. У мају 2015. године, Државни савет је званично објавио програм „Произведено у Кини 2025“, где су нови материјали једно од кључних подручја за снажну промоцију и развој, укључујући високоперформансне структурне материјале и напредне композите, што је у фокусу развоја у области нових материјала. У октобру 2015. године, Министарство индустрије и информационе индустрије званично је објавило „Кинеску производњу 2025. у кључним областима технолошког пута“, где су „високоперформансна влакна и њихови композити“ кључни стратешки материјал, а циљ за 2020. годину је „домаћи композити од угљеничних влакана који испуњавају техничке захтеве великих авиона и друге важне опреме“. У новембру 2016. године, Државни савет је издао национални стратешки план развоја нових индустрија „Тринаест пет“, јасно наглашавајући потребу за јачањем подршке узводној и низводној сарадњи у индустрији нових материјала, у области композита од угљеничних влакана и других области, спровођењем пилот демонстрација за заједничку примену и изградњом платформе за заједничку примену. У јануару 2017. године, Министарство индустрије и развоја, NDRC, наука и технологија и Министарство финансија заједнички су формулисали „Водич за развој индустрије нових материјала“ и предложили да се од 2020. године „у областима композита од угљеничних влакана, висококвалитетног специјалног челика, напредних материјала од лаких легура и других области постигне више од 70 кључних индустријализација и примена нових материјала, и изгради систем подршке за процесну опрему који одговара нивоу развоја индустрије нових материјала у Кини“.
Пошто угљенична влакна и њихови композити играју важну улогу у националној одбрани и животу народа, многи стручњаци се фокусирају на њихов развој и анализу трендова у истраживању. Др Џоу Хонг је прегледао научне и технолошке доприносе америчких научника у раним фазама развоја технологије високоперформансних угљеничних влакана и скенирао и известио о 16 главних примена и недавним технолошким достигнућима угљеничних влакана, а технологију производње, својства и примену полиакрилонитрилних угљеничних влакана и њихов тренутни технолошки развој прегледао је др Веи Син итд. Такође је дао неке конструктивне предлоге за проблеме који постоје у развоју угљеничних влакана у Кини. Поред тога, многи људи су спровели истраживање метролошке анализе радова и патената у области угљеничних влакана и њихових композита. На пример, Ма Сјанглин и други са становишта метрологије од 1998. до 2017. године, дистрибуција и примена патената за угљенична влакна у области анализе; Јанг Сиси и други, на основу Инографске платформе за глобално претраживање патената за тканине од угљеничних влакана и статистику података, анализирају годишњи тренд развоја патената, носиоце патената, жариште патентне технологије и основни патент технологије.
Са становишта путање истраживања и развоја угљеничних влакана, кинеска истраживања су готово синхронизована са светом, али је развој спор. У поређењу са страним земљама, постоји јаз у обиму и квалитету производње високоперформансних угљеничних влакана, што је хитна потреба за убрзањем процеса истраживања и развоја, унапређењем стратешког распореда и искоришћавањем будућих могућности развоја индустрије. Стога, овај рад прво истражује распоред пројеката земаља у области истраживања угљеничних влакана, како би се разумело планирање путева истраживања и развоја у различитим земљама, а друго, пошто су основна истраживања и примењена истраживања угљеничних влакана веома важна за техничка истраживања и развој угљеничних влакана, спроводимо метролошку анализу академских резултата истраживања - SCI радова и резултата примењених истраживања - патената истовремено како бисмо стекли свеобухватно разумевање напретка истраживања и развоја у области угљеничних влакана и анализирали недавна истраживачка достигнућа у овој области како бисмо упоредили напредак истраживања и развоја Peep International Frontier. Коначно, на основу горе наведених резултата истраживања, дати су неки предлози за пут истраживања и развоја у области угљеничних влакана у Кини.
2. Цугљенична влакнараспоред истраживачког пројектаглавне земље/региони
Главне земље произвођачи угљеничних влакана укључују Јапан, Сједињене Америчке Државе, Јужну Кореју, неке европске земље и Тајван, Кину. Земље са напредном технологијом у раној фази развоја технологије угљеничних влакана схватиле су важност овог материјала, спровеле су стратешки план и снажно промовисале развој материјала од угљеничних влакана.
2.1 Јапан
Јапан је најразвијенија земља за технологију угљеничних влакана. Три компаније у Торају, Бонгу и Мицубиши Лијангу у Јапану чине око 70%~80% глобалног тржишног удела у производњи угљеничних влакана. Ипак, Јапан придаје велики значај одржавању својих снага у овој области, посебно развоју високоперформансних угљеничних влакана на бази пана и енергетски и еколошки прихватљивих технологија, уз снажну људску и финансијску подршку, и у низу основних политика, укључујући основни енергетски план, стратешки оквир за економски раст и Кјото протокол, учинили су ово стратешким пројектом који треба унапредити. На основу основне националне енергетске и еколошке политике, Министарство економије, индустрије и имовине Јапана је предложило „Програм истраживања и развоја технологије за уштеду енергије“. Уз подршку горе наведене политике, јапанска индустрија угљеничних влакана је била у могућности да ефикасније централизује све аспекте ресурса и промовише решавање уобичајених проблема у индустрији угљеничних влакана.
„Развој технологије као што су иновативни нови структурни материјали“ (2013-2022) је пројекат који се спроводи у оквиру „Истраживачког пројекта будућег развоја“ у Јапану како би се значајно постигао развој неопходне иновативне технологије структурних материјала и комбинације различитих материјала, са главним циљем смањења тежине (половина тежине аутомобила) превозних средстава. И коначно остваривање његове практичне примене. Након преузимања истраживачког и развојног пројекта 2014. године, Агенција за развој индустријских технологија (NEDO) развила је неколико подпројеката у којима су општи циљеви истраживачког пројекта угљеничних влакана „Иновативно основно истраживање и развој угљеничних влакана“ били: развој нових једињења прекурсора угљеничних влакана; разјашњење механизма формирања структура карбонизације; и развој и стандардизација метода процене угљеничних влакана. Пројекат, који води Универзитет у Токију, а у којем заједнички учествују Институт за индустријску технологију (НЕДО), компаније Toray, Teijin, Dongyuan и Mitsubishi Liyang, постигао је значајан напредак у јануару 2016. године и представља још један велики пробој у области производње угљеничних влакана на бази пана након проналаска „Кондо режима“ у Јапану 1959. године.
2.2 Сједињене Америчке Државе
Америчка агенција за претходна истраживања у области одбране (DARPA) покренула је пројекат „Напредна структурна влакна“ 2006. године са циљем окупљања доминантних научноистраживачких снага у земљи ради развоја структурних влакана следеће генерације на бази угљеничних влакана. Уз подршку овог пројекта, истраживачки тим Технолошког института Џорџије у Сједињеним Државама је 2015. године пробио технологију припреме сирове жице, повећавши њен модул еластичности за 30%, чиме су Сједињене Државе добиле капацитет за развој треће генерације угљеничних влакана.
Министарство енергетике Сједињених Држава (DOE) је 2014. године објавило субвенцију од 11,3 милиона долара за два пројекта о „вишестепеним каталитичким процесима за конверзију нејестивих шећера из биомасе у акрилонитрил“ и „истраживању и оптимизацији акрилонитрила добијеног из производње биомасе“ како би се промовисала употреба пољопривредних остатака, истраживање конкурентних обновљивих високоперформансних материјала од угљеничних влакана за производњу обновљивих сировина које нису на бази хране, као што је дрвна биомаса, и планови за смањење трошкова производње обновљивих угљеничних влакана из биомасе на мање од 5 долара по фунти до 2020. године.
У марту 2017. године, Министарство енергетике САД поново је објавило 3,74 милиона долара за финансирање „пројекта истраживања и развоја јефтиних компоненти од угљеничних влакана“ који води Западноамерички институт (WRI), а који се фокусира на развој јефтиних компоненти од угљеничних влакана на бази ресурса као што су угаљ и биомаса.
У јулу 2017. године, Министарство енергетике САД објавило је финансирање од 19,4 милиона долара за подршку истраживању и развоју напредних енергетски ефикасних возила, од чега се 6,7 милиона користи за финансирање припреме јефтиних угљеничних влакана коришћењем рачунарских материјала, укључујући развој метода вишеструке евалуације за интегрисану рачунарску технологију за процену ентузијазма нових прекурсора угљеничних влакана, напредну теорију функционалне густине уз помоћ молекуларне динамике, машинско учење и друге алате који се користе за развој најсавременијих рачунарских алата за побољшање ефикасности селекције јефтиних сировина од угљеничних влакана.
2.3 Европа
Европска индустрија угљеничних влакана развила се у Јапану и Сједињеним Државама седамдесетих или осамдесетих година 20. века, али због технологије и капитала, многе компаније које производе само једна угљенична влакна нису се придржавале периода високог раста потражње за угљеничним влакнима након 2000 година и нестале су. Немачка компанија SGL је једина компанија у Европи која има велики удео на светском тржишту угљеничних влакана.
У новембру 2011. године, Европска унија је покренула пројекат Eucarbon, који има за циљ унапређење европских производних капацитета угљеничних влакана и претходно импрегнираних материјала за ваздухопловство. Пројекат је трајао 4 године, са укупним улагањем од 3,2 милиона евра, а у мају 2017. године успешно је успостављена прва специјална производна линија угљеничних влакана у Европи за свемирске примене као што су сателити, чиме је Европи омогућено да се одмакне од зависности од увоза овог производа и осигура безбедност снабдевања материјалима.
Седми оквир ЕУ планира да подржи пројекат „функционална угљенична влакна у припреми новог прекурсорског система са исплативим и управљивим перформансама“ (FIBRALSPEC) (2014-2017) у вредности од 6,08 милиона евра. Четворогодишњи пројекат, који води Национални технички универзитет у Атини, Грчка, уз учешће мултинационалних компанија као што су Италија, Уједињено Краљевство и Украјина, фокусиран је на иновације и побољшање процеса континуиране припреме угљеничних влакана на бази полиакрилонитрила како би се постигла експериментална производња континуирано пан-базираних угљеничних влакана. Пројекат је успешно завршио развој и примену угљеничних влакана и побољшане композитне технологије од обновљивих органских полимерних ресурса (као што су суперкондензатори, брза склоништа за хитне случајеве, као и прототипови механичких електричних ротационих машина за премазивање и развој производне линије нановлакана итд.).
Све већи број индустријских сектора, као што су аутомобилска индустрија, енергија ветра и бродоградња, захтева лагане, високоперформансне композите, што представља огромно потенцијално тржиште за индустрију угљеничних влакана. ЕУ улаже 5,968 милиона евра у покретање пројекта Carboprec (2014-2017), чији је стратешки циљ развој јефтиних прекурсора из обновљивих материјала који су широко присутни у Европи и унапређење производње високоперформансних угљеничних влакана путем угљеничних наноцеви.
Истраживачки програм Европске уније Cleansky II финансирао је пројекат „Истраживање и развој композитних гума“ (2017), који води Фраунхоферов институт за производњу и поузданост система (LBF) у Немачкој, а који планира развој компоненти предњих точкова за авионе од композита ојачаних угљеничним влакнима за Ербас А320. Циљ је смањење тежине за 40% у поређењу са конвенционалним металним материјалима. Пројекат је финансиран са приближно 200.000 евра.
2.4 Кореја
Јужнокорејски истраживачки и развојни рад и индустријализација угљеничних влакана започели су касно. Истраживање и развој су започели 2006. године, а 2013. године су формално ушли у практичну фазу, чиме је корејска угљенична влакна постала потпуно зависна од увоза. Захваљујући локалној групи Сјаоксинг у Јужној Кореји и компанији Таигуанг Бусинесс, као пиониру индустрије који се активно баве развојем индустрије угљеничних влакана, развој је озбиљно утицао на снажан замах. Поред тога, производна база угљеничних влакана коју је успоставила компанија Торај Јапан у Кореји допринела је развоју тржишта угљеничних влакана у самој Кореји.
Корејска влада је одлучила да Сјаоксинг Групу претвори у место окупљања иновативних индустрија угљеничних влакана. Циљ је формирање кластера индустрије материјала од угљеничних влакана, промоција развоја креативног економског екосистема у целом северном региону, крајњи циљ је формирање јединственог производног ланца материјала од угљеничних влакана → делова → готових производа, успостављање инкубационог кластера угљеничних влакана може се упоредити са Силицијумском долином у Сједињеним Државама, освајање нових тржишта, стварање нове додате вредности, постизање циља од 10 милијарди долара извоза производа повезаних са угљеничним влакнима (што је еквивалентно око 55,2 милијарде јуана) до 2020. године.
3. анализа глобалног истраживања угљеничних влакана и истраживачких резултата
Овај пододељак набраја SCI радове везане за истраживање угљеничних влакана и резултате DII патената од 2010. године, како би се истовремено анализирала академска истраживања и индустријска истраживања и развој глобалне технологије угљеничних влакана, и у потпуности разумео напредак истраживања и развоја угљеничних влакана на међународном нивоу.
Подаци изведени из Scie базе података и Dewent базе података у бази података Web of Science коју је објавио Clarivate Analytics; временски опсег преузимања: 2010-2017; датум преузимања: 1. фебруар 2018.
Стратегија претраживања SCI папира: Ts=((угљенична влакна* или угљенична влакна* или („Угљенична влакна*“ не „угљенично фиберглас“) или „угљенична влакна*“ или „угљенична нит*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитна влакна*“)) не („бамбусов угљеник“))。
Девентова стратегија претраживања патената: Ti=((угљенична влакна* или угљенична влакна* или („Угљенична влакна*“ не „угљенично фиберглас“) или „угљенична влакна*“ или „угљенична нит*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитна влакна*“)) не („бамбус угљеник“)) или TS=((угљенична влакна* или угљенична влакна* или („Угљенична влакна*“ не „угљенично фиберглас“) или „угљенична влакна*“ или „угљенична нит*“ или ((полиакрилонитрил или смола) и „прекурсор*“ и влакна*) или („графитна влакна*“)) не („бамбус угљеник“)) и IP=(D01F-009/12 или D01F-009/127 или D01F-009/133 или D01F-009/14 или D01F-009/145 или D01F-009/15 или D01F-009/155 или D01F-009/16 или D01F-009/17 или D01F-009/18 или D01F-009/20 или D01F-009/21 или D01F-009/22 или D01F-009/24 или D01F-009/26 или D01F-09/28 или D01F-009/30 или D01F-009/32 или C08K-007/02 или C08J-005/04 или C04B-035/83 или D06M-014/36 или D06M-101/40 или D21H-013/50 или H01H-001/027 или H01R-039/24).
3.1 тренд
Од 2010. године, широм света је објављено 16.553 релевантних рада, а пријављено је 26.390 патената за проналаске, што показује сталан тренд раста из године у годину (Слика 1).
3.2 Дистрибуција по земљама или регионима
Првих 10 институција са највећим глобалним резултатом истраживачких радова о угљеничним влакнима су из Кине, од којих је првих 5: Кинеска академија наука, Харбински технолошки институт, Северозападни технолошки универзитет, Универзитет Донгхуа, Пекиншки институт за аеронаутику и астронаутику. Међу страним институцијама, Индијски технолошки институт, Универзитет у Токију, Универзитет у Бристолу, Универзитет Монаш, Универзитет у Манчестеру и Технолошки институт Џорџије рангирају се између 10 и 20 (слика 3).
По броју пријава за патенте међу 30 најбољих институција, Јапан има 5, а 3 од њих су међу првих пет, компанија Toray је на првом месту, затим Mitsubishi Liyang (2. место), Teijin (4. место), East State (10. место), Japan Toyo Textile Company (24. место), Кина има 21 институцију, Sinopec Group има највећи број патената, рангирана на трећем месту, друго, Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter cable company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry, итд., Kineska akademia nauka Shanxi Coal application pronoun Patent 66, рангирана на 27. месту, Јужнокорејске институције имају 2, од којих је Xiaoxing Co., Ltd. рангирана на првом месту, рангирана на 8. месту.
Излазне институције, резултат рада углавном са универзитета и научноистраживачких институција, патентна производња углавном од стране компаније, може се видети да је производња угљеничних влакана високотехнолошка индустрија, као главни део развоја индустрије истраживања и развоја угљеничних влакана, компанија придаје велики значај заштити технологије истраживања и развоја угљеничних влакана, посебно две главне компаније у Јапану, број патената је далеко испред.
3.4 Истраживање жаришта
Истраживачки радови о угљеничним влакнима покривају највећи број истраживачких тема: композити од угљеничних влакана (укључујући композите ојачане угљеничним влакнима, полимерно-матричне композите итд.), истраживање механичких својстава, анализа коначних елемената, угљеничне наноцеви, деламинација, армирање, замор, микроструктура, електростатичко предење, површинска обрада, адсорпција и тако даље. Радови који се баве овим кључним речима чине 38,8% од укупног броја радова.
Патенти за проналаске угљеничних влакана покривају највише тема везаних за припрему угљеничних влакана, производну опрему и композитне материјале. Међу њима су компаније Japan Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin и друге у области „полимерних једињења ојачаних угљеничним влакнима“ у важној техничкој области, поред тога, Toray и Mitsubishi Liyang у области „Производња полиакрилонитрила од угљеничних влакана и производна опрема“, „производња угљеничних влакана са незасићеним нитрилом, као што је полиакрилонитрил, поливинилиден цијанид етилен“ и друге технологије имају велики удео у распореду патената, а јапанска компанија Teijin у области „композита угљеничних влакана и једињења кисеоника“ има већи удео у распореду патената.
Кинеска Синопек група, Пекиншки хемијски универзитет, Кинеска академија наука Нингбо материјали у „производњи полиакрилонитрила од угљеничних влакана и производној опреми“ имају велики удео у распореду патената; Поред тога, Пекиншки универзитет за хемијско инжењерство, Кинеска академија наука Шанси институт за хемијску угаљ и Кинеска академија наука Нингбо материјали кључни распоред „Коришћење неорганских елемената влакана као састојака за припрему полимерних једињења“ технологија има Харбин технолошки институт фокусиран на распоред „третмана угљеничних влакана“, „композита угљеничних влакана и једињења која садрже кисеоник“ и друге технологије.
Поред тога, из годишње статистике статистичке дистрибуције глобалних патената утврђено је да се у последње три године почео појављивати низ нових жаришта, као што су: „Састави полиамида добијени формирањем реакције карбоксилатних веза у главном ланцу“, „полиестерски састави формирањем 1 естарских веза карбоксилне киселине у главном ланцу“, „композитни материјал на бази синтетичких материјала“, „циклична карбоксилна киселина која садржи једињења кисеоника као састојци композита од угљеничних влакана“, „у тродимензионалном облику солидификације или обраде текстилних материјала“, „незасићени етар, ацетал, полуацетал, кетон или алдехид само кроз реакцију незасићених веза угљеник-угљеник за производњу полимерних једињења“, „адијабатски материјал за цеви или каблове“, „композити од угљеничних влакана са фосфатним естрима као састојцима“ и тако даље.
Последњих година, појавила су се истраживања и развојна истраживања у сектору угљеничних влакана, а већина продора долази из Сједињених Држава и Јапана. Најновије врхунске технологије фокусирају се не само на технологију производње и припреме угљеничних влакана, већ и на примену у ширем спектру аутомобилских материјала, као што су лагана возила, 3Д штампање и материјали за производњу енергије. Поред тога, рециклажа и рециклажа материјала од угљеничних влакана, припрема дрвета, лигнина и угљеничних влакана и друга достигнућа имају сјајне перформансе. Репрезентативни резултати су описани у наставку:
1) Амерички технолошки институт Џорџије пробија технологије угљеничних влакана треће генерације
У јулу 2015. године, уз финансирање DARPA-е, Технолошки институт Џорџије, са својом иновативном техником предења гелом од угљеничних влакана на бази тигања, значајно је повећао свој модул, надмашујући Hershey IM7 угљенична влакна, која се сада широко користе у војним авионима, означавајући тако другу земљу у свету која је савладала трећу генерацију технологије угљеничних влакана након Јапана.
Затезна чврстоћа гел-предења угљеничних влакана које производи Кумарз достиже 5,5 до 5,8 Gpa, а модул затезања је између 354-375 gpa. „Ово је континуирано влакно за које је пријављено да има највећу чврстоћу и модул свеобухватних перформанси. У снопу кратких филамената, затезна чврстоћа до 12,1 Gpa, што је исто као и код полиакрилонитрилних угљеничних влакана са највећом чврстоћом.“
2) Технологија загревања електромагнетним таласима
Недо је 2014. године развио технологију загревања електромагнетним таласима. Технологија карбонизације електромагнетним таласима односи се на употребу технологије загревања електромагнетним таласима за карбонизацију влакана под атмосферским притиском. Добијене перформансе угљеничних влакана су у основи исте као и код угљеничних влакана произведених загревањем на високој температури, модул еластичности може достићи више од 240 GPA, а издужење при кидању је веће од 1,5%, што је први успех у свету.
Материјал сличан влакнима се карбонизује електромагнетним таласима, тако да није потребна опрема за карбонизациону пећ која се користи за загревање на високој температури. Овај процес не само да смањује време потребно за карбонизацију, већ и смањује потрошњу енергије и смањује емисију CO2.
3) фина контрола процеса карбонизације
У марту 2014. године, Toray је објавио успешан развој угљеничних влакана t1100g. Toray користи традиционалну технологију предења у раствору за фину контролу процеса карбонизације, побољшање микроструктуре угљеничних влакана на наноскали, контролу оријентације микрокристала графита, величине микрокристала, дефеката и тако даље у влакну након карбонизације, тако да се чврстоћа и модул еластичности могу значајно побољшати. Затезна чврстоћа t1100g је 6,6GPa, што је 12% више од оне код T800, а модул еластичности је 324GPa и повећан је за 10%, што је улазак у фазу индустријализације.
4) Технологија површинске обраде
Компанија Теијин Ист Стејт је успешно развила технологију плазма обраде површине која може да контролише изглед угљеничних влакана за само неколико секунди. Ова нова технологија значајно поједностављује цео производни процес и смањује потрошњу енергије за 50% у поређењу са постојећом технологијом површинске обраде за водене растворе електролита. Штавише, након плазма обраде, утврђено је да је побољшана и адхезија влакана и смолне матрице.
5) студија о стопи задржавања затезне чврстоће угљеничних влакана у графитном окружењу високе температуре
Компанија Ningbo Materials је успешно спровела детаљну студију о анализи процеса, истраживању структуре и оптимизацији перформанси домаћих угљеничних влакана високе чврстоће и високог мода, посебно истраживачки рад о стопи задржавања затезне чврстоће угљеничних влакана у графитном окружењу високе температуре, и недавно успешној припреми угљеничних влакана високе чврстоће и већег модула еластичности са затезном чврстоћом од 5,24 ГПа и запреминским модулом еластичности од 593 ГПа. Она и даље имају предност затезне чврстоће у поређењу са јапанским високо обликованим угљеничним влакнима високе чврстоће Toray m60j (затезна чврстоћа 3,92 ГПа, модул еластичности од 588 ГПа).
6) Микроталасни графит
Компанија Јонгда Адванцед Материјалс је успешно развила ексклузивну патентирану технологију графита за ултра-високотемпературне производње угљеничних влакана средњег и вишег реда, успешно превазилазећи три уска грла у развоју угљеничних влакана високог реда: опрема за графит је скупа и под међународном контролом, хемијска технологија сирове свиле има потешкоће, а производња је ниска, а трошкови су високи. До сада је Јонгда развила 3 врсте угљеничних влакана, а свака од њих је подигла чврстоћу и модул еластичности оригиналних угљеничних влакана релативно ниског квалитета на нову висину.
7) Нови процес топљења угљеничних влакана на бази тигања, произвођач Фраунхофер, Немачка
Фраунхоферов институт за примењене полимере (Applied polymer Research, IAP) недавно је објавио да ће представити најновију Comcarbon технологију на Берлинском аеромитингу 11, 25. и 29. априла 2018. године. Ова технологија значајно смањује трошкове производње масовно произведених угљеничних влакана.
Сл. 4. Предење сирове жице топљењем.
Добро је познато да се у традиционалним процесима половина трошкова производње угљеничних влакана на бази тигања троши у процесу производње сирове жице. С обзиром на немогућност топљења сирове жице, она мора бити произведена скупим поступком предења у раствору (Solution Spinning). „У том циљу, развили смо нови поступак за производњу сирове свиле на бази тигања, који може смањити трошкове производње сирове жице за 60%. Ово је економичан и изводљив поступак топљења и предења, користећи посебно развијени спојени кополимер на бази тигања“, објаснио је др Јоханес Ганстер, министар за биолошке полимере у Институту Фраунхофер ИАП.
8) Технологија плазма оксидације
Компанија 4M Carbon fiber је објавила да ће стратешки циљ бити коришћење технологије плазма оксидације за производњу и продају висококвалитетних, јефтиних угљеничних влакана, а не само за лиценцирање технологије. 4M тврди да је технологија плазма оксидације три пута бржа од конвенционалне технологије оксидације, док је потрошња енергије мања од једне трећине традиционалне технологије. Ове изјаве су потврдили многи међународни произвођачи угљеничних влакана, који се консултују са бројним највећим светским произвођачима угљеничних влакана и произвођачима аутомобила како би учествовали као иницијатори производње јефтиних угљеничних влакана.
9) Целулозна нано влакна
Универзитет у Кјоту у Јапану, заједно са неколико главних добављача компоненти, као што су компанија за електроинсталације (највећи добављач за Тојоту) и Daikyonishikawa Corp., ради на развоју пластичних материјала који комбинују целулозна нановлакна. Овај материјал се прави разбијањем дрвне пулпе на неколико микрона (1 на хиљаду мм). Тежина новог материјала је само једна петина тежине челика, али је његова чврстоћа пет пута већа од челика.
10) предње тело од угљеничних влакана од полиолефинских и лигнинских сировина
Национална лабораторија Оук Риџ у Сједињеним Државама ради на истраживању јефтиних угљеничних влакана од 2007. године, а развили су предња тела од угљеничних влакана за полиолефинске и лигнинске сировине, као и напредне технологије плазма преоксидације и микроталасне карбонизације.
11) Нови полимер (прекурсорски полимер) је развијен уклањањем ватросталне обраде
У методу производње коју води Универзитет у Токију, развијен је нови полимер (прекурсорски полимер) за уклањање ватросталне обраде. Главна поента је да се након предења полимера у свилу не врши оригинална ватростална обрада, већ се узрокује његова оксидација у растварачу. Уређај за микроталасно грејање се затим загрева на више од 1000 ℃ ради карбонизације. Време загревања траје само 2-3 минута. Након обраде карбонизације, плазма се такође користи за површинску обраду, тако да се могу направити угљенична влакна. Обрада плазмом траје мање од 2 минута. На овај начин, оригинално време синтеровања од 30-60 минута може се смањити на око 5 минута. У новој методи производње, обрада плазмом се врши како би се побољшала веза између угљеничних влакана и термопластичне смоле као основног CFRP материјала. Модул еластичности при затезању угљеничних влакана произведених новом методом производње је 240GPa, чврстоћа при затезању је 3,5GPa, а издужење достиже 1,5%. Ове вредности су на истом нивоу као код угљеничних влакана T300 универзалног квалитета Toray која се користе за спортску опрему итд.
12) рециклажа и коришћење материјала са угљеничним влакнима коришћењем поступка флуидизованог слоја
Менгран Менг, први аутор студије, рекао је: „Опоравак угљеничних влакана смањује утицај на животну средину у поређењу са производњом сирових угљеничних влакана, али постоји ограничена свест о потенцијалним технологијама рециклаже и економској исплативости рециклаже и коришћења угљеничних влакана. Рециклажа се одвија у две фазе: влакна се прво морају опоравити из композита угљеничних влакана и термички разложити механичким млевењем материјала или коришћењем пиролизе или процеса флуидизованог слоја. Ове методе уклањају пластични део композитног материјала, остављајући угљенична влакна, која се затим могу претворити у испреплетене влакнасте подлоге коришћењем технологије влажне производње папира или реорганизовати у усмерена влакна.“
Истраживачи су израчунали да се угљенична влакна могу рекуперити из отпада од композита угљеничних влакана коришћењем поступка флуидизованог слоја, што захтева само 5 долара/кг и мање од 10% енергије потребне за производњу примарних угљеничних влакана. Рециклирана угљенична влакна произведена поступцима флуидизованог слоја једва смањују модул, а затезна чврстоћа је смањена за 18% до 50% у односу на примарна угљенична влакна, што их чини погодним за примене које захтевају велику крутост, а не чврстоћу. „Рециклирана угљенична влакна могу бити погодна за неструктурне примене које захтевају малу тежину, као што су аутомобилска, грађевинска, ветроенергетска и спортска индустрија“, рекао је Менг.
13) Нова технологија рециклаже угљеничних влакана развијена у Сједињеним Државама
У јуну 2016. године, истраживачи са Технолошког института Џорџије у Сједињеним Државама натопили су угљенична влакна растварачем који садржи алкохол како би растворили епоксидну смолу, а одвојена влакна и епоксидне смоле могу се поново користити, што је довело до успешног опоравка угљеничних влакана.
Јула 2017. године, Државни универзитет у Вашингтону је такође развио технологију опоравка угљеничних влакана, користећи слабу киселину као катализатор, употребу течног етанола на релативно ниским температурама за разлагање термореактивних материјала, разложена угљенична влакна и смола се чувају одвојено и могу се користити за репродукцију.
14) Развој технологије 3Д штампања мастилом од угљеничних влакана у LLNL лабораторији, САД
У марту 2017. године, Национална лабораторија Лоренс Ливмор (LLNL) у Сједињеним Државама развила је прве 3Д штампане високоперформансне композите од угљеничних влакана, авијацијског квалитета. Користили су 3Д методу штампања директним преносом мастила (DIW) да би створили сложене тродимензионалне структуре које су значајно побољшале брзину обраде за употребу у аутомобилској, ваздухопловној, одбрамбеној индустрији, мотоциклистичким такмичењима и сурфовању.
15) Сједињене Државе, Кореја и Кина сарађују у развоју угљеничних влакана за производњу енергије
У августу 2017. године, кампус Универзитета у Тексасу у Даласу, Универзитет Ханјанг у Кореји, Универзитет Нанкај у Кини и друге институције сарађивале су на развоју материјала од угљеничних влакана за производњу енергије. Пређа се прво намаче у растворима електролита као што је слани раствор, што омогућава јонима у електролиту да се вежу за површину угљеничних наноцеви, које се могу претворити у електричну енергију када се пређа затегне или истегне. Материјал се може користити на било ком месту са поузданом кинетичком енергијом и погодан је за напајање IoT сензора.
16) Нови напредак у истраживању дрвених лигнинских угљеничних влакана постигнут од стране Кинеза и Американаца, респективно
У марту 2017. године, тим за специјална влакна Института за технологију материјала и инжењерство Нингбо припремио је лигнин-акрилонитрилни кополимер са добром предивошћу и термичком стабилношћу користећи технологију естерификације и двостепене модификације кополимеризацијом слободних радикала. Висококвалитетни континуирани филаменти добијени су коришћењем кополимера и процеса влажног предења, а компактно угљенично влакно је добијено након термичке стабилизације и третмана карбонизације.
У августу 2017. године, истраживачки тим Биргит Аринг са Универзитета у Вашингтону у Сједињеним Државама помешао је лигнин и полиакрилонитрил у различитим пропорцијама, а затим је користио технологију предења растопљених полимера да би претворио мешане полимере у угљенична влакна. Студија је открила да лигнин додат у количини од 20% до 30% није утицао на чврстоћу угљеничних влакана и очекивало се да ће се користити у производњи јефтинијих материјала од угљеничних влакана за аутомобилске или авионске делове.
Крајем 2017. године, Национална лабораторија за обновљиву енергију (NREL) објавила је истраживање о производњи акрилонитрила коришћењем отпадних делова биљака, као што су кукурузна и пшенична слама. Они прво разлажу биљне материјале у шећер, а затим их претварају у киселине и комбинују их са јефтиним катализаторима да би произвели циљане производе.
17) Јапан развија прву аутомобилску шасију од термопластичног композита ојачаног угљеничним влакнима
У октобру 2017. године, јапанска агенција за истраживање и развој, интегрисана у нову технологију енергетске индустрије, и Национални истраживачки центар за композите Универзитета у Нагоји успешно су развили прву на свету термопластичну композитну шасију аутомобила ојачану угљеничним влакнима. Користећи аутоматски процес директног онлајн обликовања термопластичних композита ојачаних дугим влакнима, континуирано мешање честица угљеничних влакана и термопластичне смоле, производњу композита ојачаних влакнима, а затим загревање и топљење повезивања, успешно су произведене термопластичне CFRP шасије аутомобила.
5. предлози за истраживање и развој технологије угљеничних влакана у Кини
5.1 Распоред усмерен ка будућности, оријентисан ка циљевима, фокус на пробијању треће генерације технологије угљеничних влакана
Кинеска технологија угљеничних влакана друге генерације још увек није свеобухватни пробој. Наша земља треба да покуша да буде усмерена ка будућности и да окупи релевантне истраживачке институције, фокусиране на развој кључних технологија, фокусирајући се на истраживање и развој високоперформансне технологије припреме угљеничних влакана треће генерације (тј. применљиве у ваздухопловству, технологији угљеничних влакана високе чврстоће и високог модула еластичности), као и на развијену технологију композитних материјала од угљеничних влакана, укључујући аутомобилску индустрију, грађевинарство и поправке, као и друге лагане, јефтине производе од угљеничних влакана великих димензија, технологију адитивне производње, технологију рециклаже и технологију брзе израде прототипова.
5.2 Координација организације, јачање подршке, покретање великих техничких пројеката за континуирану подршку заједничким истраживањима
Тренутно у Кини постоји много институција које се баве истраживањем угљеничних влакана, али је моћ распршена и не постоји јединствени механизам организације истраживања и развоја нити снажна финансијска подршка за ефикасну координацију. Судећи по искуству развоја развијених земаља, организација и распоред великих пројеката играју велику улогу у промоцији развоја ове техничке области. Требало би да се фокусирамо на предност кинеске снаге истраживања и развоја, имајући у виду кинески пробој у технологији истраживања и развоја угљеничних влакана, како бисмо започели велике пројекте, ојачали заједничке технолошке иновације и стално промовисали ниво кинеске технологије истраживања угљеничних влакана, конкуришући међународним угљеничним влакнима и композитима.
5.3 Унапређење механизма за евалуацију оријентације техничких достигнућа ка ефекту примене
Са становишта економетријске анализе SCI радова, кинеска угљенична влакна се користе као материјал високе чврстоће и високих перформанси у различитим областима истраживања, али се за производњу и технологију припреме угљеничних влакана посебно фокусира на смањење трошкова и побољшање ефикасности производње, што захтева мање истраживања. Процес производње угљеничних влакана је дуг, кључне технолошке тачке, високе производне баријере и мултидисциплинарна, мултитехнолошка интеграција захтевају превазилажење техничких препрека и ефикасно промовисање истраживања и развоја „ниске цене и високих перформанси“ технологије припреме језгра. С једне стране, потребно је ојачати инвестиције у истраживање, а с друге стране, ослабити област евалуације учинка научних истраживања, ојачати смернице за евалуацију ефекта примене техничких достигнућа и прећи са „квантитативне“ евалуације, која обраћа пажњу на објављивање рада, на „квалитетну“ евалуацију вредности резултата.
5.4 Јачање развоја талената најсавременије технологије
Високотехнолошки атрибут технологије угљеничних влакана одређује важност специјализованих талената, а то да ли имају најсавременије кључно техничко особље директно одређује ниво истраживања и развоја институције.
Као резултат веза између истраживања и развоја у области технологије угљеничних влакана, требало би да обратимо пажњу на обуку особља у сложеним областима, како бисмо осигурали координацију и развој свих веза. Поред тога, из историје развоја истраживања угљеничних влакана у Кини, проток кључних технолошких стручњака је често кључни фактор који утиче на ниво истраживања и развоја истраживачке институције. Одржавање фиксног броја кључних стручњака и истраживачко-развојних тимова у производним процесима, композитима и главним производима је важно за континуирано технолошко унапређење.
Требало би да наставимо да јачамо обуку и коришћење специјализованог високотехнолошког особља у овој области, побољшамо политику евалуације и третмана талената за технолошка истраживања и развој, ојачамо неговање младих талената, активно подржавамо сарадњу и размену са страним напредним истраживачко-развојним институцијама и снажно уводимо стране напредне таленте итд. Ово ће играти велику улогу у промоцији развоја истраживања угљеничних влакана у Кини.
Цитирано из-
Анализа развоја глобалне технологије угљеничних влакана и њеног просветљења Кине. Тиан Јађуан, Жанг Жићијанг, Тао Ченг, Јанг Минг, Ба Ђин, Чен Јунвеј.Светска научно-технолошка истраживања и развоја.2018.
Време објаве: 04.12.2018.