วิเคราะห์พัฒนาการเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโลก

3.3 การวิเคราะห์เชิงสถาบัน

สถาบัน 10 อันดับแรกที่มีผลงานการวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโลกมากที่สุดมาจากประเทศจีน โดย 5 อันดับแรก ได้แก่ Chinese Academy of Sciences, Harbin Institute of Technology, Northwestern University of Technology, Donghua University, Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics ในบรรดาสถาบันต่างประเทศ ได้แก่ Indian Institute of Technology, University of Tokyo, University of Bristol, Monash University, University of Manchester และ Georgia Institute of Technology ซึ่งอยู่ในอันดับระหว่าง 10~20 (รูปที่ 3)

จำนวนการยื่นขอสิทธิบัตรใน 30 สถาบันแรก ประเทศญี่ปุ่นมี 5 แห่ง และมี 3 แห่งใน 5 อันดับแรก บริษัท Toray อยู่ในอันดับหนึ่ง รองลงมาคือ Mitsubishi Liyang (อันดับ 2), Teijin (อันดับ 4), East State (อันดับ 10), Japan Toyo Textile Company (อันดับ 24) ส่วนประเทศจีนมี 21 สถาบัน Sinopec Group มีจำนวนสิทธิบัตรมากที่สุด อยู่ในอันดับสาม รองลงมาคือ Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter Company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry และอื่นๆ สิทธิบัตรการประดิษฐ์ Shanxi Coal ของสถาบันวิทยาศาสตร์จีน อยู่ที่ 66 อยู่ในอันดับที่ 27 ส่วนสถาบันในเกาหลีใต้มี 2 แห่ง โดย Xiaoxing Co., Ltd. อยู่อันดับหนึ่ง อยู่ในอันดับที่ 8

สถาบันผลผลิต ผลผลิตของกระดาษส่วนใหญ่มาจากมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ผลผลิตสิทธิบัตรส่วนใหญ่มาจากบริษัท จะเห็นได้ว่าการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นอุตสาหกรรมที่มีเทคโนโลยีสูง เนื่องจากเป็นส่วนหลักของการพัฒนาอุตสาหกรรมการวิจัยและพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทจึงให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการคุ้มครองเทคโนโลยีการวิจัยและพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง 2 บริษัทใหญ่ในญี่ปุ่น จำนวนสิทธิบัตรนั้นนำหน้ามาก

3.4 แหล่งรวมการวิจัย

เอกสารวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์ครอบคลุมหัวข้อการวิจัยส่วนใหญ่ ได้แก่ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ (รวมถึงคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ คอมโพสิตเมทริกซ์โพลิเมอร์ ฯลฯ) การวิจัยคุณสมบัติเชิงกล การวิเคราะห์องค์ประกอบจำกัด นาโนท่อคาร์บอน การแยกชั้น การเสริมแรง ความล้า โครงสร้างจุลภาค การปั่นไฟฟ้าสถิต การปรับพื้นผิว การดูดซับ และอื่นๆ เอกสารที่เกี่ยวข้องกับคำสำคัญเหล่านี้คิดเป็น 38.8% ของจำนวนเอกสารทั้งหมด

สิทธิบัตรการประดิษฐ์คาร์บอนไฟเบอร์ครอบคลุมหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ อุปกรณ์การผลิต และวัสดุคอมโพสิตมากที่สุด ในบรรดาสิทธิบัตรเหล่านี้ บริษัท Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin และบริษัทอื่นๆ ของญี่ปุ่นในด้าน "สารประกอบโพลิเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์" ในด้านรูปแบบทางเทคนิคที่สำคัญ นอกจากนี้ บริษัท Toray และ Mitsubishi Liyang ในด้าน "การผลิตโพลีอะคริโลไนไตรล์ของคาร์บอนไฟเบอร์และอุปกรณ์การผลิต" "ด้วยไนไตรล์ที่ไม่อิ่มตัว เช่น โพลีอะคริโลไนไตรล์ โพลีไวนิลิดีนไซยาไนด์เอทิลีน การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์" และเทคโนโลยีอื่นๆ มีสัดส่วนของรูปแบบสิทธิบัตรที่ใหญ่กว่า และบริษัท Teijin ของญี่ปุ่นในด้าน "คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และสารประกอบออกซิเจน" มีสัดส่วนของรูปแบบสิทธิบัตรที่ใหญ่กว่า

กลุ่ม Sinopec ของจีน มหาวิทยาลัยเคมีปักกิ่ง สถาบันวิทยาศาสตร์จีน Ningbo Materials ใน "การผลิตโพลีอะคริโลไนไตรล์ของเส้นใยคาร์บอนและอุปกรณ์การผลิต" มีสัดส่วนขนาดใหญ่ของโครงร่างสิทธิบัตร นอกจากนี้ มหาวิทยาลัยวิศวกรรมเคมีปักกิ่ง สถาบันเคมีถ่านหิน Shanxi ของวิทยาศาสตร์จีน และวัสดุ Ningbo Academy of Sciences โครงร่างสำคัญ "การใช้เส้นใยธาตุอนินทรีย์เป็นส่วนผสมของการเตรียมสารประกอบโพลีเมอร์" เทคโนโลยีทำให้ Harbin Institute of Technology มุ่งเน้นไปที่เค้าโครงของ "การบำบัดด้วยเส้นใยคาร์บอน" "คอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนและสารประกอบที่มีออกซิเจน" และเทคโนโลยีอื่น ๆ

นอกจากนี้ ยังพบจากสถิติการกระจายทางสถิติประจำปีของสิทธิบัตรทั่วโลกว่า จุดร้อนใหม่ๆ จำนวนมากเริ่มเกิดขึ้นในช่วง 3 ปีที่ผ่านมา เช่น "องค์ประกอบของโพลีอะไมด์ที่ได้จากการเกิดปฏิกิริยาพันธะคาร์บอกซิเลตในสายโซ่หลัก" "องค์ประกอบของโพลีเอสเตอร์จากการเกิดพันธะเอสเทอร์กรดคาร์บอกซิลิก 1 พันธะในสายโซ่หลัก" "วัสดุผสมจากวัสดุสังเคราะห์" "กรดคาร์บอกซิลิกแบบวงแหวนที่ประกอบด้วยสารประกอบออกซิเจนเป็นส่วนผสมของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์" "ในรูปแบบสามมิติของการแข็งตัวหรือการบำบัดวัสดุสิ่งทอ" "อีเธอร์ไม่อิ่มตัว อะซีตัล เซมิอะซีตัล คีโตน หรืออัลดีไฮด์ผ่านปฏิกิริยาพันธะคาร์บอน-คาร์บอนไม่อิ่มตัวเพียงอย่างเดียวในการผลิตสารประกอบโพลีเมอร์" "ท่อหรือสายเคเบิลของวัสดุอะเดียแบติก" "คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีเอสเทอร์ฟอสเฟตเป็นส่วนผสม" และอื่นๆ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา R & amp; d ในภาคส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ได้เกิดขึ้น โดยความก้าวหน้าส่วนใหญ่มาจากสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น เทคโนโลยีล้ำสมัยล่าสุดไม่เพียงแต่เน้นที่เทคโนโลยีการผลิตและการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการใช้งานในวัสดุยานยนต์ที่หลากหลายยิ่งขึ้น เช่น วัสดุน้ำหนักเบา การพิมพ์ 3 มิติ และวัสดุผลิตพลังงาน นอกจากนี้ การรีไซเคิลและการรีไซเคิลวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ การเตรียมเส้นใยคาร์บอนจากไม้ลิกนินและความสำเร็จอื่นๆ ยังมีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมอีกด้วย ผลลัพธ์ที่เป็นตัวแทนจะอธิบายไว้ด้านล่าง:

1) สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียของสหรัฐอเมริกาพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่ 3

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2558 สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียได้รับทุนจาก DARPA โดยใช้เทคนิคการปั่นเจลคาร์บอนไฟเบอร์แบบแผ่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ส่งผลให้โมดูลัสของวัสดุเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยแซงหน้าคาร์บอนไฟเบอร์ Hershey IM7 ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องบินทหารในปัจจุบัน และถือเป็นประเทศที่ 2 ในโลกที่เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สาม รองจากญี่ปุ่น

ความแข็งแรงแรงดึงของเส้นใยคาร์บอนแบบปั่นเจลที่ผลิตโดย Kumarz อยู่ที่ 5.5 ถึง 5.8Gpa และโมดูลัสแรงดึงอยู่ระหว่าง 354-375gpa "นี่คือเส้นใยต่อเนื่องที่มีรายงานว่ามีความแข็งแรงและโมดูลัสสูงสุดในการทำงานโดยรวม ในมัดเส้นใยสั้น ความแข็งแรงแรงดึงสูงถึง 12.1Gpa เส้นใยคาร์บอนโพลีอะคริโลไนไตรล์ที่สูงที่สุดก็เช่นกัน"

2) เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปี 2014 Nedo ได้พัฒนาเทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เทคโนโลยีการทำให้เป็นคาร์บอนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหมายถึงการใช้เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อทำให้เส้นใยเป็นคาร์บอนภายใต้ความดันบรรยากาศ ประสิทธิภาพของเส้นใยคาร์บอนที่ได้นั้นโดยพื้นฐานแล้วจะเหมือนกับเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตขึ้นโดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง โดยโมดูลัสของความยืดหยุ่นสามารถไปถึงมากกว่า 240GPA และการยืดตัวเมื่อขาดนั้นมากกว่า 1.5% ซึ่งถือเป็นความสำเร็จครั้งแรกของโลก

วัสดุที่มีลักษณะคล้ายเส้นใยจะถูกทำให้เป็นคาร์บอนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เตาเผาคาร์บอนที่ใช้สำหรับทำความร้อนที่อุณหภูมิสูง กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดเวลาที่จำเป็นในการทำให้เป็นคาร์บอนเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการใช้พลังงานและลดการปล่อย CO2 อีกด้วย

3) การควบคุมกระบวนการคาร์บอไนเซชันอย่างละเอียด

ในเดือนมีนาคม 2014 Toray ได้ประกาศความสำเร็จในการพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ t1100g โดย Toray ใช้เทคโนโลยีการปั่นด้วยสารละลายแบบดั้งเดิมเพื่อควบคุมกระบวนการคาร์บอไนเซชันอย่างละเอียด ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของคาร์บอนไฟเบอร์ในระดับนาโน ควบคุมทิศทางของไมโครคริสตัลไลน์ของกราไฟต์ ขนาดไมโครคริสตัลไลน์ ข้อบกพร่อง และอื่นๆ ในเส้นใยหลังคาร์บอไนเซชัน เพื่อให้สามารถปรับปรุงความแข็งแรงและโมดูลัสยืดหยุ่นได้อย่างมาก ความแข็งแรงแรงดึงของ t1100g คือ 6.6GPa ซึ่งสูงกว่า T800 ถึง 12% และโมดูลัสยืดหยุ่นคือ 324GPa และเพิ่มขึ้น 10% ซึ่งกำลังเข้าสู่ขั้นตอนการผลิตทางอุตสาหกรรม

4) เทคโนโลยีการชุบผิว

Teijin East State ได้พัฒนาเทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิวด้วยพลาสม่าสำเร็จแล้ว ซึ่งสามารถควบคุมลักษณะของเส้นใยคาร์บอนได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที เทคโนโลยีใหม่นี้ช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตทั้งหมดได้อย่างมาก และลดการใช้พลังงานลงได้ 50% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการบำบัดพื้นผิวสำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในน้ำที่มีอยู่ นอกจากนี้ หลังจากการบำบัดด้วยพลาสม่าแล้ว ยังพบว่าการยึดเกาะของเส้นใยและเมทริกซ์เรซินยังดีขึ้นอีกด้วย

5) การศึกษาอัตราการเก็บรักษาความแข็งแรงแรงดึงของเส้นใยคาร์บอนในสภาพแวดล้อมกราไฟต์อุณหภูมิสูง

บริษัท Ningbo Materials ประสบความสำเร็จในการดำเนินการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับการวิเคราะห์กระบวนการ การวิจัยโครงสร้าง และการเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพของเส้นใยคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูงและโหมดสูงในประเทศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งงานวิจัยเกี่ยวกับอัตราการเก็บรักษาของความแข็งแรงแรงดึงของเส้นใยคาร์บอนในสภาพแวดล้อมของกราไฟท์ที่อุณหภูมิสูง และการเตรียมเส้นใยคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูงที่ประสบความสำเร็จล่าสุดโดยมีความแข็งแรงแรงดึง 5.24GPa และปริมาตรโมดูลัสแรงดึง 593GPa และยังคงมีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงแรงดึงเมื่อเทียบกับเส้นใยคาร์บอนที่ขึ้นรูปด้วยแม่พิมพ์ที่มีความแข็งแรงสูง m60j ของ Toray ของญี่ปุ่น (ความแข็งแรงแรงดึง 3.92GPa, โมดูลัสแรงดึง 588GPa)

6) ไมโครเวฟกราไฟท์

Yongda Advanced Materials ได้พัฒนาเทคโนโลยีกราไฟต์อุณหภูมิสูงพิเศษที่ได้รับสิทธิบัตรเฉพาะของสหรัฐอเมริกาสำเร็จแล้ว การผลิตเส้นใยคาร์บอนระดับกลางและระดับสูง ทำลายอุปสรรคทั้งสามประการในการพัฒนาเส้นใยคาร์บอนระดับสูงได้สำเร็จ อุปกรณ์กราไฟต์มีราคาแพงและอยู่ภายใต้การควบคุมระดับสากล เทคโนโลยีเคมีไหมดิบมีความยากลำบาก ผลผลิตที่ได้มีต้นทุนต่ำและสูง จนถึงขณะนี้ Yongda ได้พัฒนาเส้นใยคาร์บอน 3 ประเภท ซึ่งทั้งหมดได้เพิ่มความแข็งแรงและโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอนเกรดต่ำดั้งเดิมให้สูงขึ้นไปอีก

7) กระบวนการใหม่ในการหลอมและปั่นลวดดิบคาร์บอนไฟเบอร์จากกระทะโดย Fraunhofer ประเทศเยอรมนี

สถาบัน Fraunhofer Institute of Applied Polymers (Applied polymer Research, IAP) ประกาศเมื่อเร็วๆ นี้ว่าจะจัดแสดงเทคโนโลยี Comcarbon ล่าสุดที่งาน Berlin Air Show Ila ในวันที่ 25 และ 29 เมษายน 2018 เทคโนโลยีนี้ช่วยลดต้นทุนการผลิตเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจำนวนมากได้อย่างมาก

รูปที่ 4 การปั่นหลอมลวดดิบ

เป็นที่ทราบกันดีว่าในกระบวนการแบบดั้งเดิม ต้นทุนการผลิตเส้นใยคาร์บอนแบบแผ่นจะหมดไปครึ่งหนึ่งในกระบวนการผลิตลวดดิบ เนื่องจากลวดดิบไม่สามารถหลอมละลายได้ จึงต้องใช้กระบวนการปั่นเส้นใยแบบสารละลาย (Solution Spinning) ซึ่งมีราคาแพงในการผลิต "เพื่อจุดประสงค์นี้ เราจึงได้พัฒนากระบวนการใหม่สำหรับการผลิตเส้นใยดิบแบบแผ่น ซึ่งสามารถลดต้นทุนการผลิตลวดดิบได้ 60% นี่คือกระบวนการปั่นเส้นใยแบบหลอมละลายที่ประหยัดและเป็นไปได้ โดยใช้โคพอลิเมอร์แบบแผ่นหลอมที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษ" ดร. โยฮันเนส แกนสเตอร์ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงพอลิเมอร์ชีวภาพของสถาบัน Fraunhofer IAP อธิบาย

8) เทคโนโลยีออกซิเดชันพลาสม่า

4M Carbon fiber ประกาศว่าจะใช้เทคโนโลยีพลาสม่าออกซิเดชันเพื่อผลิตและจำหน่ายคาร์บอนไฟเบอร์คุณภาพสูงและต้นทุนต่ำ โดยเป็นกลยุทธ์สำคัญ ไม่ใช่เพียงเพื่อขอใบอนุญาตใช้เทคโนโลยีดังกล่าวเท่านั้น 4M อ้างว่าเทคโนโลยีพลาสม่าออกซิเดชันเร็วกว่าเทคโนโลยีพลาสม่าแบบเดิมถึง 3 เท่า ในขณะที่ใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีแบบเดิมถึงหนึ่งในสาม และคำกล่าวอ้างดังกล่าวได้รับการรับรองโดยผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ระดับนานาชาติหลายราย ซึ่งกำลังปรึกษาหารือกับผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์และผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ที่สุดของโลกหลายรายเพื่อเข้าร่วมเป็นผู้ริเริ่มการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ต้นทุนต่ำ

9) เส้นใยเซลลูโลสนาโน

มหาวิทยาลัยเกียวโตของญี่ปุ่น ร่วมกับซัพพลายเออร์ส่วนประกอบหลักหลายราย เช่น บริษัทติดตั้งระบบไฟฟ้า (ซัพพลายเออร์รายใหญ่ที่สุดของโตโยต้า) และ Daikyonishikawa Corp. กำลังร่วมกันพัฒนาพลาสติกที่ผสมเส้นใยเซลลูโลส วัสดุนี้ผลิตขึ้นโดยแยกเยื่อไม้เป็นชิ้นเล็ก ๆ ไม่กี่ไมครอน (1 ชิ้นต่อพันมิลลิเมตร) น้ำหนักของวัสดุใหม่นี้เป็นเพียงหนึ่งในห้าของน้ำหนักเหล็ก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึงห้าเท่า

10) ตัวถังด้านหน้าทำจากคาร์บอนไฟเบอร์จากวัตถุดิบโพลีโอเลฟินและลิกนิน

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในสหรัฐอเมริกาดำเนินการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ต้นทุนต่ำมาตั้งแต่ปี 2550 และได้พัฒนาโครงคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับวัตถุดิบโพลีโอเลฟินและลิกนิน รวมไปถึงเทคโนโลยีการคาร์บอไนเซชันด้วยไมโครเวฟและการพรีออกซิเดชันในพลาสมาขั้นสูง

11) พอลิเมอร์ชนิดใหม่ (สารตั้งต้นของพอลิเมอร์) ได้รับการพัฒนาโดยการกำจัดการบำบัดที่ทนไฟ

ในวิธีการผลิตที่นำโดยมหาวิทยาลัยโตเกียว ได้มีการพัฒนาพอลิเมอร์ชนิดใหม่ (พอลิเมอร์เบื้องต้น) เพื่อขจัดการบำบัดด้วยวัสดุทนไฟ ประเด็นหลักคือ หลังจากปั่นพอลิเมอร์ให้เป็นไหมแล้ว จะไม่ดำเนินการบำบัดด้วยวัสดุทนไฟแบบเดิม แต่ทำให้เกิดการออกซิไดซ์ในตัวทำละลาย จากนั้นจึงให้ความร้อนอุปกรณ์ทำความร้อนด้วยไมโครเวฟที่อุณหภูมิมากกว่า 1,000 ℃ เพื่อทำให้เกิดการคาร์บอไนเซชัน เวลาในการให้ความร้อนใช้เวลาเพียง 2-3 นาที หลังจากการบำบัดด้วยคาร์บอไนเซชันแล้ว พลาสม่ายังใช้ในการบำบัดพื้นผิวด้วย ดังนั้นจึงสามารถสร้างคาร์บอนไฟเบอร์ได้ การบำบัดด้วยพลาสม่าใช้เวลาน้อยกว่า 2 นาที ด้วยวิธีนี้ เวลาในการเผาผนึกเดิม 30-60 นาทีจึงลดลงเหลือประมาณ 5 นาที ในวิธีการผลิตแบบใหม่ การบำบัดด้วยพลาสม่าจะดำเนินการเพื่อปรับปรุงการยึดติดระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินเทอร์โมพลาสติกซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐาน CFRP โมดูลัสความยืดหยุ่นของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผลิตโดยวิธีการผลิตแบบใหม่คือ 240GPa ความแข็งแรงในการดึงคือ 3.5GPa และการยืดตัวถึง 1.5% ค่าเหล่านี้เป็นระดับเดียวกับคาร์บอนไฟเบอร์เกรด Toray Universal T300 ที่ใช้สำหรับอุปกรณ์กีฬา ฯลฯ

12) การรีไซเคิลและการใช้ประโยชน์ของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์โดยใช้กระบวนการฟลูอิไดซ์เบด

Mengran Meng ผู้เขียนคนแรกของการศึกษากล่าวว่า "การกู้คืนเส้นใยคาร์บอนช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเทียบกับการผลิตเส้นใยคาร์บอนดิบ แต่ยังมีการรับรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีการรีไซเคิลที่มีศักยภาพและความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการรีไซเคิลการใช้เส้นใยคาร์บอนอย่างจำกัด" การรีไซเคิลมี 2 ขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือต้องกู้คืนเส้นใยจากคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนและสลายตัวด้วยความร้อนโดยใช้วัสดุที่บดด้วยเครื่องจักรหรือโดยใช้กระบวนการไพโรไลซิสหรือฟลูอิไดซ์เบด วิธีการเหล่านี้จะเอาส่วนพลาสติกของวัสดุคอมโพสิตออก เหลือเพียงเส้นใยคาร์บอนซึ่งสามารถแปลงเป็นแผ่นใยพันกันได้โดยใช้เทคโนโลยีการผลิตกระดาษเปียก หรือจัดโครงสร้างใหม่เป็นเส้นใยที่มีทิศทาง

นักวิจัยคำนวณได้ว่าสามารถนำเส้นใยคาร์บอนกลับมาใช้ใหม่จากขยะคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนได้โดยใช้กระบวนการฟลูอิไดซ์เบด ซึ่งต้องใช้ต้นทุนเพียง 5 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม และใช้พลังงานน้อยกว่า 10% ของพลังงานที่จำเป็นในการผลิตเส้นใยคาร์บอนหลัก เส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลที่ผลิตโดยกระบวนการฟลูอิไดซ์เบดแทบจะไม่ลดโมดูลัส และความแข็งแรงในการดึงจะลดลง 18% ถึง 50% เมื่อเทียบกับเส้นใยคาร์บอนหลัก ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแข็งสูงมากกว่าความแข็งแกร่ง "เส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลอาจเหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ใช่โครงสร้างซึ่งต้องการน้ำหนักเบา เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ ก่อสร้าง ลม และกีฬา" เหมิงกล่าว

13) เทคโนโลยีใหม่ในการรีไซเคิลคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกา

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2559 นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในประเทศสหรัฐอเมริกาได้แช่เส้นใยคาร์บอนในตัวทำละลายที่มีแอลกอฮอล์เพื่อละลายเรซินอีพอกซี เส้นใยและเรซินอีพอกซีที่แยกออกสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งนับเป็นความสำเร็จในการกู้คืนเส้นใยคาร์บอน

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2560 มหาวิทยาลัยแห่งรัฐวอชิงตันได้พัฒนาเทคโนโลยีการกู้คืนเส้นใยคาร์บอน โดยใช้กรดอ่อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้เอธานอลเหลวที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำในการย่อยสลายวัสดุเทอร์โมเซตติ้ง เส้นใยคาร์บอนและเรซินที่สลายตัวแล้วจะถูกเก็บรักษาแยกจากกัน และสามารถนำไปผลิตซ้ำได้

14) การพัฒนาเทคโนโลยีหมึกคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับการพิมพ์แบบ 3 มิติในห้องปฏิบัติการ LLNL สหรัฐอเมริกา

ในเดือนมีนาคม 2017 ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livemore (LLNL) ในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เกรดการบินประสิทธิภาพสูงที่พิมพ์ 3 มิติเป็นครั้งแรก โดยใช้เทคนิคการพิมพ์ 3 มิติแบบส่งหมึกโดยตรง (DIW) เพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน ซึ่งช่วยปรับปรุงความเร็วในการประมวลผลได้อย่างมากเพื่อใช้ในการแข่งขันยานยนต์ อวกาศ การป้องกันประเทศ และมอเตอร์ไซค์ รวมถึงการเล่นเซิร์ฟ

15) สหรัฐอเมริกา เกาหลี และจีน ร่วมมือกันพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อการผลิตพลังงาน

ในเดือนสิงหาคม 2017 วิทยาเขตดัลลาสของมหาวิทยาลัยเท็กซัส มหาวิทยาลัยฮันยางในเกาหลี มหาวิทยาลัยหนานไคในจีน และสถาบันอื่นๆ ได้ร่วมมือกันพัฒนาเส้นใยคาร์บอนสำหรับผลิตไฟฟ้า โดยเส้นใยจะถูกแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เช่น น้ำเกลือก่อน ซึ่งจะทำให้ไอออนในอิเล็กโทรไลต์เกาะติดกับพื้นผิวของนาโนท่อคาร์บอน ซึ่งสามารถแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เมื่อเส้นด้ายถูกขันหรือยืดออก วัสดุนี้สามารถใช้งานได้ในทุกสถานที่ที่มีพลังงานจลน์ที่เชื่อถือได้ และเหมาะสำหรับการจ่ายไฟให้กับเซ็นเซอร์ IoT

16) ความคืบหน้าใหม่ในการวิจัยเส้นใยคาร์บอนลิกนินไม้ที่ได้รับจากจีนและอเมริกาตามลำดับ

ในเดือนมีนาคม 2017 ทีมเส้นใยพิเศษของสถาบันเทคโนโลยีวัสดุและวิศวกรรม Ningbo ได้เตรียมโคพอลิเมอร์ลิกนิน-อะคริโลไนไตรล์ที่มีความสามารถในการปั่นที่ดีและมีเสถียรภาพทางความร้อนโดยใช้เทคโนโลยีการดัดแปลงสองขั้นตอนของเอสเทอริฟิเคชันและโคพอลิเมอไรเซชันอนุมูลอิสระ เส้นใยต่อเนื่องคุณภาพสูงได้มาโดยใช้กระบวนการโคพอลิเมอร์และปั่นเปียก และได้รับเส้นใยคาร์บอนขนาดกะทัดรัดหลังจากการรักษาเสถียรภาพทางความร้อนและการบำบัดด้วยคาร์บอน

ในเดือนสิงหาคม 2017 ทีมวิจัย Birgitte Ahring จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันในสหรัฐอเมริกาได้ผสมลิกนินและโพลีอะคริโลไนไตรล์ในสัดส่วนที่แตกต่างกัน จากนั้นจึงใช้เทคโนโลยีการปั่นหลอมเพื่อแปลงพอลิเมอร์ผสมให้เป็นเส้นใยคาร์บอน การศึกษาพบว่าลิกนินที่เติมลงไป 20%∼30% ไม่ส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงของเส้นใยคาร์บอน และคาดว่าจะนำไปใช้ในการผลิตวัสดุเส้นใยคาร์บอนราคาถูกสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์หรือเครื่องบิน

เมื่อปลายปี 2560 ห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (NREL) ได้เผยแพร่ผลการวิจัยเกี่ยวกับการผลิตอะคริโลไนไตรล์โดยใช้ชิ้นส่วนเหลือใช้ของพืช เช่น ฟางข้าวโพดและฟางข้าวสาลี โดยขั้นแรก นักวิจัยจะย่อยวัสดุจากพืชให้เป็นน้ำตาล จากนั้นจึงแปลงให้เป็นกรด จากนั้นจึงนำไปผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาราคาถูกเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เป้าหมาย

17) ญี่ปุ่นพัฒนาโครงรถยนต์คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นรุ่นแรก

เดือนตุลาคม 2017 หน่วยงานวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ของญี่ปุ่นและศูนย์วิจัยคอมโพสิตแห่งชาติของมหาวิทยาลัยนาโกย่าประสบความสำเร็จในการพัฒนาแชสซีรถยนต์คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมใยคาร์บอนตัวแรกของโลก โดยใช้กระบวนการขึ้นรูปออนไลน์โดยตรงของคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมใยยาวอัตโนมัติ ผสมอนุภาคเรซินเทอร์โมพลาสติกและใยคาร์บอนอย่างต่อเนื่อง การผลิตคอมโพสิตเสริมใย จากนั้นผ่านการเชื่อมต่อความร้อนและการหลอมละลาย จึงสามารถผลิตแชสซีรถยนต์ CFRP เทอร์โมพลาสติกได้สำเร็จ

5. ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน

5.1 เค้าโครงที่มองไปข้างหน้า มุ่งเป้าหมาย เน้นการก้าวล้ำสู่เทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สาม

เทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สองของจีนยังไม่ถือเป็นการพัฒนาก้าวกระโดดอย่างครอบคลุม แต่ประเทศของเราควรพยายามนำเสนอแนวทางที่มุ่งไปข้างหน้าเพื่อนำสถาบันวิจัยที่เกี่ยวข้องมารวมกัน โดยมุ่งเน้นไปที่การจับเทคโนโลยีหลัก โดยเน้นการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นที่สาม (กล่าวคือ สามารถนำไปใช้ได้กับเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ) และเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ได้รับการพัฒนา รวมถึงการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์แบบลากจูงขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ การก่อสร้างและการซ่อมแซม และอื่นๆ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง เทคโนโลยีการรีไซเคิล และเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

5.2 การประสานงานองค์กร เสริมสร้างการสนับสนุน จัดทำโครงการทางเทคนิคที่สำคัญเพื่อสนับสนุนการวิจัยร่วมมืออย่างต่อเนื่อง

ปัจจุบันมีสถาบันต่างๆ มากมายที่ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน แต่พลังนั้นกระจัดกระจาย และไม่มีกลไกการจัดการวิจัยและพัฒนาที่เป็นหนึ่งเดียวและการสนับสนุนเงินทุนที่แข็งแกร่งสำหรับการประสานงานที่มีประสิทธิภาพ เมื่อพิจารณาจากประสบการณ์การพัฒนาของประเทศที่พัฒนาแล้ว การจัดองค์กรและเค้าโครงของโครงการสำคัญมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการพัฒนาด้านเทคนิคนี้ เราควรเน้นที่ข้อได้เปรียบด้านวิจัยและพัฒนาของจีน โดยพิจารณาจากเทคโนโลยีวิจัยและพัฒนาที่ก้าวล้ำด้านคาร์บอนไฟเบอร์ของจีน เพื่อเริ่มโครงการสำคัญ เสริมสร้างนวัตกรรมเทคโนโลยีที่ร่วมมือกัน และส่งเสริมระดับเทคโนโลยีการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ของจีนอย่างต่อเนื่อง รวมถึงการแข่งขันด้านคาร์บอนไฟเบอร์และคอมโพสิตระดับนานาชาติ

5.3 การปรับปรุงกลไกการประเมินผลการประยุกต์ใช้แนวทางของความสำเร็จทางเทคนิค

จากมุมมองของการวิเคราะห์ทางเศรษฐมิติของเอกสาร SCI คาร์บอนไฟเบอร์ของจีนเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงที่ใช้ในสาขาการวิจัยต่างๆ แต่สำหรับเทคโนโลยีการผลิตและการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเน้นที่การลดต้นทุน ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตด้วยการวิจัยน้อยลง กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์นั้นยาวนาน จุดสำคัญของเทคโนโลยี อุปสรรคในการผลิตสูง เป็นการบูรณาการหลายสาขาวิชาและหลายเทคโนโลยี จำเป็นต้องฝ่าฟันอุปสรรคทางเทคนิค เพื่อส่งเสริมการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมแกนกลาง "ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง" อย่างมีประสิทธิภาพ ในด้านหนึ่ง จำเป็นต้องเสริมสร้างการลงทุนด้านการวิจัย ในอีกด้าน จำเป็นต้องทำให้สาขาการประเมินประสิทธิภาพการวิจัยทางวิทยาศาสตร์อ่อนแอลง เสริมสร้างการชี้นำของการประเมินผลการประยุกต์ใช้ของความสำเร็จทางเทคนิค และเปลี่ยนจากการประเมิน "เชิงปริมาณ" ซึ่งให้ความสำคัญกับการเผยแพร่เอกสาร ไปเป็นการประเมิน "คุณภาพ" ของมูลค่าผลลัพธ์

5.4 เสริมสร้างการปลูกฝังบุคลากรที่มีความสามารถด้านเทคโนโลยีขั้นสูง

คุณสมบัติทางเทคโนโลยีขั้นสูงของเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์กำหนดความสำคัญของบุคลากรเฉพาะทาง ไม่ว่าบุคลากรเหล่านั้นจะมีบุคลากรทางเทคนิคหลักที่ล้ำสมัยหรือไม่ ก็จะกำหนดระดับการวิจัยและพัฒนาของสถาบันโดยตรง

จากผลของการเชื่อมโยง R & D ของเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ เราควรให้ความสำคัญกับการฝึกอบรมบุคลากรด้านสารประกอบ เพื่อให้มั่นใจว่ามีการประสานงานและพัฒนาการเชื่อมโยงทั้งหมด นอกจากนี้ จากประวัติการพัฒนาการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน การไหลของผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีหลักมักเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อระดับการวิจัยและพัฒนาของสถาบันวิจัย การรักษาผู้เชี่ยวชาญหลักและทีมวิจัยและพัฒนาในกระบวนการผลิต วัสดุผสม และผลิตภัณฑ์หลักนั้นมีความสำคัญต่อการอัปเกรดเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง

เราควรเสริมสร้างการฝึกอบรมและการใช้บุคลากรด้านเทคโนโลยีขั้นสูงเฉพาะทางในสาขานี้ต่อไป ปรับปรุงนโยบายการประเมินและการรักษาบุคลากรที่มีความสามารถด้านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยี เสริมสร้างการปลูกฝังบุคลากรที่มีความสามารถรุ่นเยาว์ สนับสนุนความร่วมมือและการแลกเปลี่ยนกับสถาบันวิจัยและพัฒนาขั้นสูงจากต่างประเทศอย่างแข็งขัน และแนะนำบุคลากรที่มีความสามารถขั้นสูงจากต่างประเทศอย่างแข็งขัน เป็นต้น สิ่งนี้จะมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการพัฒนาการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน
อ้างจาก-
การวิเคราะห์การพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโลกและการให้ความรู้แก่จีน เทียน หย่าจวน จาง จื้อเฉียง เต้า เฉิง หยางหมิง ปาจิน เฉิน หยุนเว่ยการวิจัยและพัฒนาด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับโลก2018