Переработанное углеродное волокно: текущее состояние и будущие перспективы

Дело в переработанном углеродном волокне сложно. Отрасль построена на надежде решить проблемы — а именно, удержать отходы углеродного волокна с свалок и заполнить потенциальный разрыв между предложением и спросом на углеродное волокно. Обычно оценивается, что около 30% произведенного углеродного волокна превращается в отходы. В то время как ценный материал попадает на свалки, большинство аналитиков сходятся в том, что ежегодный спрос на материал может превысить текущую производственную мощность в ближайшие несколько лет. Средняя оценка глобального спроса на углеродное волокно составляет около 65 000–85 000 метрических тонн в год, при глобальной номиннальной мощности (которая выше фактической) около 150 000 метрических тонн, согласно оценкам, представленным Бреттом Шнайдером, президентом глобального направления волокон Hexcel (Стамфорд, Коннектикут, США) и Даном Пихлером, управляющим директором CarbConsult GmbH (Хофхайм-ам-Таунус, Германия) на конференции по углеродному волокну в декабре 2018 года. Как сообщал автор CW Аманда Джекоб в марте, некоторые аналитики оценивают, что спрос на углеродное волокно может превысить предложение примерно на 24 000 метрических тонн к 2022 году (см. «Создание доверия к переработанному углеродному волокну»).

И хотя коммерческие поставщики переработанного углеродного волокна (rCF) указывают на восстановленный и переработанный материал как потенциальное решение этого разрыва между предложением и спросом, у отрасли rCF свои проблемы. Хотя технологии переработки композитов на основе углеродного волокна существуют уже несколько лет и способны давать продукт с механическими свойствами, очень близкими к девственному материалу, отрасль переработки композитов относительно молода и все еще на ранних стадиях развития рынков для материалов, которые она производит из вторсырья. По мере роста уверенности в качестве волокна, производимого переработчиками, на первый план вышли вопросы стоимости и доступности. Возможно, крупнейшим вызовом для отрасли является опасение за безопасность цепочки поставок.

«Технологии фактически существуют, и они существуют уже довольно давно, но цепочка поставок просто не была проверена», — говорит Эндрю Макси, CEO Vartega (Голден, Колорадо, США). «Без правильного сложения элементов вы можете иметь лучшую технологию в мире, но у вас не будет материала для переработки и не будет продуктов, в которые его можно положить».

Коммерческие поставщики часто смотрят на авиакосмическую промышленность как источник производственных отходов и материалов по истечении срока службы для использования в качестве сырья для переработки, однако, хотя объем отходов, создаваемых авиакосмической промышленностью, велик в терминах того, что попадает на свалки, многие OEM и изготовители неохотно полагаются на него как на стабильный источник поставок для высокообъемной продуктовой линейки.

С другой стороны, прогресс очевиден. В декабре 2018 года Boeing объявила, что будет поставлять специалиста по переработке углеродного волокна ELG Carbon Fibre Ltd. (Коusele, Великобритания) отработанным и неотработанным отходами углеродного волокна для переработки с целью использования во вторичных продуктах для других приложений в производстве композитов. Соглашение стало первым формальным отношением по поставке материала между переработчиком углеродного волокна и крупным OEM авиации и кажется хорошим предзнаменованием для отрасли.

Не только экологические заботы

Аргументы в пользу использования rCF выходят за рамки устойчивого развития. Снижение стоимости также является преимуществом. Например, rCF от ELG Carbon Fibre стоит примерно на 40% дешевле промышленного девственного углеродного волокна. Другие коммерческие поставщики заявляют, что их материал дешевле девственного углеродного волокна на 20–40%. К тому же, для многих приложений существует потребность в форматах прерывистого волокна — что указывает на возможность, где rCF может предложить более устойчивую и экономичную альтернативу девственному материалу.

«Везде, где отрасль использует прерывистое или рубленое углеродное волокно, переработанное [волокно] должно быть первым соображением», — говорит Макси. «Мы тратим все эти деньги на производство девственного углеродного волокна в непрерывном формате... зачем нам затем рубить его, чтобы положить в термопласт? Если у нас уже есть прерывистый формат в этих отходах, это, на мой взгляд, лучший материал для использования в литьевых композитах, где вы все равно собираетесь его рубить».

Кроме того, качество производимого rCF в некоторых случаях показалось на уровне девственного волокна. ELG Carbon Fibre, который восстанавливает углеродные волокна с помощью пиролиза, заявляет, что его волокно обычно сохраняет не менее 90% прочности на растяжение без изменения модуля. Vartega использует химический процесс переработки и утверждает, что его волокно демонстрирует те же механические свойства, что и девственное углеродное волокно. Shocker Composites (Вичита, Канзас, США) использует линейный процесс сольволиза для восстановления волокна и заявляет о высоком качестве без видимого повреждения волокон.

По словам Вамсидхара Патоллы, аспиранта Вичитского государственного университета и основателя Shocker Composites, вызов заключается в снижении стоимости до уровня, сопоставимого с другими материалами, такими как алюминий. «Технологичность должна соответствовать масштабу высокосерийного производства», — говорит он. Процесс Shocker Composites предлагает это преимущество, потому что это линейный процесс, а не партийный. (Узнайте больше в статье «Устойчивая линейная переработка углеродного волокна»).

Учитывая недавние улучшения за последние несколько лет в переработке rCF и качестве волокна, коммерческие поставщики начали смещать фокус от даунсайклинга rCF в продукты более низкой производительности к поиску подходящих применений, которые выигрывают от свойств материала.

«Мы никогда полностью не вытесним девственное волокно, особенно в авиации, где высокие требования к прочности и жесткости, но люди начинают понимать, что переработанное волокно — это не просто переработанное волокно со слабым потенциалом», — говорит Бенджамин Эндрюс, инженер по полевым техническим услугам в ELG Carbon Fibre. «Оно имеет свои преимущества, которые в некоторых применениях превосходят девственное волокно. Драпируемость и качество поверхности лучше, чем у девственного волокна... это не просто многоразовый материал; это материал со своими уникальными преимуществами».

Как обстоят дела с автопромом?

Когда речь заходит о рынках, автомобильная промышленность кажется той, что обладает наибольшим потенциалом для использования rCF. Способность материала сочетать облегчение с хорошим качеством поверхности делает его естественным выбором для кузовных панелей, не говоря уже о различных внутренних компонентах. Коммерческие поставщики rCF давно с замиранием сердца смотрят на эту отрасль, надеясь на массовое принятие, но переломный момент еще не наступил. Время процесса и стоимость продолжают быть камнем преткновения для отрасли.

Марк Маухар, CEO Carbon Conversions (Лейк-Сити, Южная Каролина, США), утверждает, что эти опасения немного являются оправданием, учитывая достигнутый прогресс, и считает, что главное препятствие для принятия на любом рынке — это на самом деле отказ от рисков.

«Никто не хочет быть первым, кто внедрит новую материальную экосистему», — говорит он. Он также подчеркивает, что массовое принятие rCF автомобильной промышленностью не обязательно даже желательно, указывая на то, что внедрение дюжиной крупных автомобильных платформ может быстро исчерпать глобальные запасы rCF. По его мнению, подход должен заключаться в таргетировании нишевых программ, которые, в свою очередь, сделают цепочку поставок более надежной с бизнес-точки зрения.

«В автопроме нужно быть умным в выборе места применения», — говорит он. «Выбор конкретных деталей на конкретных моделях автомобилей, которые имеют смысл».

Маухар надеется, что автопром станет первым крупным рынком, который начнет потреблять значительную долю доступного переработанного углеродного волокна. «В ближайшие 24 месяца мы начнем видеть движение в этом направлении», — прогнозирует он.

Композиты в целом проникают в автопром постепенно в виде деталей, таких как коробки аккумуляторов, сосуды под давлением, рессоры и даже системы задних дверей. Было бы логично, чтобы rCF шел по той же траектории.

Один интересный пример такого нишевого подхода — ProDrive Composites (Милтон-Кинс, Великобритания), производитель передовых легких композитов для применений от автопрома и моторспорта до авиации и обороны. Компания сотрудничает с Университетом Шеффилда Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC, Шеффилд, Великобритания) и ELG Carbon Fibre по своему процессу P2T (Primary To Tertiary), новому процессу, использующему реактивную термопластичную смолу для производства перерабатываемых композитных компонентов. Пластичный мономер реагирует с катализатором в присутствии переработанных волокон для производства отвердевшего ламината вне автоклава.

«Мы продемонстрировали, что перерабатываемые композитные панели могут быть произведены со скоростью и стоимостью, подходящими для многих отраслей», — говорит Джон МакКвиллиам, главный инженер ProDrive Composites.

Компания заявляет, что P2T позволяет использовать композитный материал три и более раз. По истечении срока службы первичной детали волокна и потенциально смола могут быть переработаны, обеспечивая сырье для термопластичной вторичной детали, такой как кузовная панель. Когда эта деталь достигает конца срока службы, ее можно измельчить и отлить в новые детали. (Узнайте больше в статье «Процесс P2T позиционирован для переработки»).

В то же время Vartega возглавляет проект Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation (IACMI, Ноксвилл, Теннесси, США), ориентированный на автопром. Двухлетнее техническое сотрудничество предназначено для решения проблем создания стабильных термопластиков, усиленных переработанным углеродным волокном, для использования в приложениях по облегчению автомобилей. Макси говорит, что проект делает прогресс к надежному набору данных, предлагающему полную характеристику материалов, от интерфейса волокна до свойств готовой детали.

Конечно, когда рассматриваем автопром, лучшая ставка может быть на смежные новые технологии. Электромобили, автономные автомобили и аспекты связи в машинах привносят новые детали и возможности применения, где композиты, вероятно, сыграют большую роль.

Макси дает свою оценку тому, куда движется автопром: «За последние пару лет в автопроме произошло многое, где фокус сместится от топливной экономии к другим приоритетам в зависимости от того, какие регуляции и что говорит [президентская] администрация», — говорит он. «Мы не видим никакого серьезного отхода от облегчения, но, может быть, мотивация для него эволюционирует. Я думаю, что в отрасли вы увидите фокус на облегчении для приложений мобильности».

Может ли авиация закрыть цикл?

Авиакосмическая промышленность генерирует больше всего отходов углеродного волокна, и коммерческие поставщики rCF часто смотрят на неё как на источник сырья для переработки. Излишки материала, обычно неотвердевшая термореактивная композитная препрег, собираются, и смола удаляется с помощью тепла (пиролиз) или химического растворителя (сольволиз), давая волокно, которое затем измельчают, рубят или гранулируют.

По мере того как отрасль движется к увеличению использования термопластичных композитов (TPC), этот материал представляет новый набор возможностей для переработки. Поскольку термопластичные полимеры могут быть переплавлены и переформированы, авиакосмическая промышленность получает больше возможностей для повторного поглощения части своих отходов во вторичные применения, потенциально повторно используя и волокно, и матрицу. Томас де Брейн, исследователь в Thermoplastic Composites Application Center (TPAC, Энсхеде, Нидерланды) — центре R&D по термопластичным композитам, работающем рядом с Thermoplastic Research Center (TPRC, Энсхеде, Нидерланды) на прикладном уровне — указывает на усилия в отрасли по внутренней переработке материала.

«С точки зрения выполнимости, для термопластичных композитов внутренний подход имеет гораздо больше смысла», — говорит он.

По словам де Брейна, авиационные OEM с большей вероятностью будут перерабатывать внутри компании, чем обращаться к коммерческому поставщику rCF. Главная причина — прослеживаемость. Сопоставление типов полимеров с данным применением становится гораздо сложнее, когда поставка выносится наружу.

Йохан Мейзелаар, инженер-специалист по напряжениям в GKN Fokker (Хохевен, Нидерланды), думает, что ответ — попытаться найти как можно больше применений внутри своей производственной среды. «Если посмотреть на типы термопластичных компонентов, которые мы делаем из девственного материала, в них много деталей, которые мы могли бы сделать переработанными», — говорит он. «Мы определенно могли бы использовать значительное количество отходов, которые генерируем».

«У нас уже есть объекты», — добавляет Гийом Венсан, инженер по термопластичным композитам в TPRC. Он объясняет, что внутренняя переработка вписывается в обычные цепочки процессов и что большинство оборудования уже на месте, делая это самым доступным путем. «Это вписывается в деятельность, которую мы имеем в обычной производственной среде».

Де Брейн, Венсан и Мейзелаар участвуют в проекте TPC-Cycle, осуществляемом TPAC и TPRC. Проект направлен на повторное использование производственных отходов от обработки термопластичных композитов для авиации и высокообъемных применений. Цель — сохранить высокие механические свойства термопластичных композитов и снизить общий воздействие на окружающую среду при доступной стоимости. TPC-Cycle хвастается короткими временем циклов и, как говорят, позволяет производить сложные формы.

Несколько промышленных партнеров, включая GKN Fokker, Toray Advanced Composites (Морган-Хилл, Калифорния, США; Нейвердал, Нидерланды), Cato Composite Innovations (Рхэден, Нидерланды), Dutch Thermoplastic Components (Альмере, Нидерланды) и Nido RecyclingTechniek (Нейвердал, Нидерланды), участвуют в проекте TPC-Cycle, представляя разные сегменты цепочки создания стоимости от материала, производства, дизайна и применения.

По словам де Брейна, проект TPC-Cycle сейчас рассматривает завершение анализов стоимости и жизненного цикла, чтобы доказать, что процесс экономически выгоден.

Кроме того, программы вроде Clean Sky 2 Joint Undertaking (которая финансируется программой EU Horizon 2020) поощряют R&D, фокусирующуюся на закрытии цикла для авиационных отходов. OEM смотрят на потенциал использования переработанных заводских отходов для внутренних деталей, панелей доступа, мелких компонентов и даже клипсов и креплений систем воздушного судна.

Доктор Бас Велдман, менеджер программы GKN Fokker для нижней половины термопластичного демонстратора многофункционального фюзеляжа, способствует этой концепции, запуская конкурс предложений в рамках программы Clean Sky 2 на клипсы и крепления. Важный элемент в разработке демонстратора — снижение воздействия на окружающую среду через использование заводских отходов для таких продуктов, как рамные клипсы и крепления. Демонстратор также стремится заменить крепеж сваркой, тем самым экономя материалы, энергию и стоимость, внося вклад в облегчение.

По словам Мейзелаара, GKN Fokker исследует, как технология переработки может стать частью концепции фюзеляжа завтрашнего дня. Он говорит, что концепция потенциально будет использовать много термопластичных композитов, что в свою очередь может генерировать много отходов, которые можно использовать для переработанных креплений, фурнитуры и неконструктивных деталей.

«Причина рассмотрения термопластичного фюзеляжа — стоимость, и мы думаем, что это экономически эффективный метод производства, который также включает переработку», — говорит он.

Мейзелаар говорит, что цель на высоком уровне — сделать более доступные и устойчивые продукты в авиации. Хотя шаги предпринимаются к серийному производству в термопластиках, это также будет давать отходы (как к сожалению бывает с композитами в целом). Но он верит, что эти отходы могут быть коммерчески жизнеспособны и говорит, что низкосдвиговое смешивание/прессовка переработанных TPC, усиленных углеродным волокном, предлагает свободу дизайна, недоступную при традиционном ламинировании с непрерывными волокнами. «Вы получаете много дополнительных опций для изготовления очень интересных неконструктивных деталей, таких как панели, небольшие обтекатели или системные крепления, которые в авиации обычно перепроектированы в плане используемых материалов, сплавов, [и] производственных систем», — объясняет он.

Он считает, что возможность лежит в основном в неконструктивных деталях среднего размера и средней сложности, которые все еще составляют значительную часть общей стоимости крупных компонентов.

«Мы не будем делать крылья из переработанного термопластика в ближайшее будущее», — говорит Мейзелаар. «Но внутри крыла есть детали, которые мы можем сделать, имеющие экономический смысл».

Все это сказанное, немного рано предсказывать влияние термопластичных композитов на отрасль переработки.

«Процент отходов, вероятно, снизится из-за новых методов производства, таких как ленточное укладка или адаптированные заготовки, которые, вероятно, производят меньше отходов, чем текущие типичные процессы вложения и штамповки, которые мы видим», — говорит де Брейн. «Но в целом я думаю, что в ближайшие годы и десятилетия будет больше термопластичных отходов».

И хотя этот интерес к внутренней переработке растет, всегда будет часть отходов, которая непригодна для использования и которую изготовители не захотят или не смогут переработать внутри. В таких случаях эти материалы могут быть восстановлены поставщиком материала. Время покажет, что увеличение использования термопластичных композитов может означать для цепочки поставок. (Узнайте больше о проекте TPC-Cycle и инициативе Clean Sky 2 в «Переработанные термопластичные композиты для производства»).

Аддитивное производство

Аддитивное производство — еще одна область, которая несет потенциал для rCF. Например, Shocker Composites скомпоновало свое переработанное углеродное волокно в 20–40%-усиленную ABS-нить и продемонстрировало ее успешное использование с процессом Big Area Additive Manufacturing (BAAM) 3D-печати Cincinnati Inc. (Харрисон, Огайо, США).

Кроме того, Vartega заявляет, что использует свою технологию переработки углеродного волокна и экспертизу в разработке материалов для продвижения полимерных заготовок для аддитивного производства методом плавления порошкового слоя. Компания недавно получила грант National Science Foundation (NSF, Александрия, Вирджиния, США) Small Business Innovation Research (SBIR) для проведения R&D в этой области.

Vartega заявляет, что также разрабатывает процесс, который позволит термопластичным порошкам быть усиленными углеродным волокном при обеспечении того, что материалы производят функциональные детали в инфракрасных аддитивных системах. Это достижение, как сообщается, позволит цифровым производителям реализовать полный потенциал новых порошковых аппаратных платформ для производства деталей, которые выполняются аналогично литым под давлением материалам при среднеобъемных темпах производства.

«Предлагая углеродным волокном усиленные полимерные порошки, производители в секторах вроде БПЛА [беспилотные летательные аппараты] и медицинских протезов смогут реализовать преимущества быстрой, сложной и кастомизированной 3D-печати, обеспечивая, что их выбор материала будет демонстрировать структурную целостность, необходимую для их продукта», — говорит Элис Хэвилл, главный операционный директор Vartega.

Другие применения

Пока что другие рынки и применения, в которых переработанное углеродное волокно может сыграть роль, продолжают появляться.

Composite Recycling Technology Center (CRTC, Порт-Энджелес, Вашингтон, США) изучает использование переработанного углеродного волокна в разнообразных продуктах, от скамеек в парках до высокопроизводительных спортивных товаров и композитных труб. Компания работает с восстановленным неотвердевшим препрегом от Toray Composite Materials America (Такома, Вашингтон, США) а также rCF от ELG Carbon Fibre.

Дейв Уолтер, CEO CRTC, указывает на строительную отрасль как на область потенциального роста. Компания недавно разработала строительную клееную переклеенную древесину (CLT) по патентному процессу, сочетающему термически модифицированную древесину с переработанным углеродным волокном. Процесс термической модификации удаляет сахара и лигнин, обеспечивая устойчивость к гниению и термитам, а затем полосы углеродного волокна интегрируются для прочности.

CRTC также использует переработанное углеродное волокно для создания панелей, склеенных с шпоном древесины. Эти панели демонстрируют красоту древесины с прочным, легким и гибким основанием для различных внутренних и наружных применений, как показано на фото ниже от установки 2019 года в Benaroya Hall в Сиэтле.

Смена мышления в отрасли?

Большие изменения часто происходят постепенно, и относительно молодая отрасль переработанного углеродного волокна продолжает медленно продвигаться вперед. Хотя даунсайклинг rCF продолжается, восприятия о материале начинают меняться. Качество волокна доказано, а процессы продолжают эволюционировать. Осведомленность о необходимости переработки углеродного волокна высока, и больше игроков вовлекаются.

«Объявление ELG и Boeing стало действительно большим событием; оно помогает всем двигать мяч вперед [и] ускорять связи в цепочке поставок», — говорит Макси.

«Мы здесь, чтобы позволять и соединять точки», — добавляет он, резюмируя отрасль. «У нас есть эта технологическая возможность, которая сидит посередине цепочки поставок, но на самом деле речь идет о соединении того застрявшего актива в потоке отходов с неудовлетворенным спросом вниз по течению».

Самое большое изменение, по Марк Маухару из Carbon Conversions, в том, что поставщики теперь хотят быть частью решения. «До двух лет назад мы получали множество звонков в неделю от поставщиков об утилизации отходов, но без интереса к использованию материала», — говорит он. «Теперь люди начинают действовать deeds, а не только слова. Только недавно мы наконец начинаем видеть потенциальных клиентов восстановленного углеродного волокна, тратящих значительные ресурсы на изготовление форм для литья, создание прототипов и макетов, решение процессных проблем — все активности, которые находятся далеко по линии в терминах коммерческого принятия».

Возможно, все сводится к терпению. Детлеф Драгц, CEO ELG Carbon Fibre, указывает, что полезно изучить историю переработки других наследических материалов.

«Более 50 лет ELG перерабатывала сырье для отрасли нержавеющей стали. С металлом принято использовать лом даже в вакуумных печах для лопаток турбин... принято, что переработанный металл — это сырье, которое, правильно обработанное, может просто использоваться. 25 лет назад это не было общепринято в авиационном применении; однако мы установили цепочку поставок, чтобы дать гарантии, что материал выполняет свои функции. Мы делаем то же самое здесь», — говорит он.