การวิเคราะห์การพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโลก

3.3 การวิเคราะห์เชิงสถาบัน

สถาบัน 10 อันดับแรกที่มีผลงานวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์มากที่สุดในโลกมาจากประเทศจีน โดย 5 อันดับแรก ได้แก่ สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน (Chinese Academy of Sciences), สถาบันเทคโนโลยีฮาร์บิน (Harbin Institute of Technology), มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนอร์ทเวสเทิร์น (Northwestern University of Technology), มหาวิทยาลัยตงหัว (Donghua University), สถาบันการบินและอวกาศปักกิ่ง (Beijing Institute of Aeronautics and Astronautics) ส่วนสถาบันต่างประเทศ ได้แก่ สถาบันเทคโนโลยีอินเดีย (Indian Institute of Technology), มหาวิทยาลัยโตเกียว (University of Tokyo), มหาวิทยาลัยบริสตอล (University of Bristol), มหาวิทยาลัยโมนาช (Monash University), มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (University of Manchester) และสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Georgia Institute of Technology) ซึ่งอยู่ในอันดับ 10-20 (รูปที่ 3)

จำนวนการยื่นขอสิทธิบัตรในสถาบัน 30 อันดับแรก ประเทศญี่ปุ่นมี 5 แห่ง และ 3 แห่งอยู่ในห้าอันดับแรก บริษัท Toray อยู่ในอันดับหนึ่ง รองลงมาคือ Mitsubishi Liyang (อันดับสอง) Teijin (อันดับสี่) East State (อันดับสิบ) และบริษัท Japan Toyo Textile Company (อันดับสองสี่) ประเทศจีนมี 21 สถาบัน โดย Sinopec Group มีจำนวนสิทธิบัตรมากที่สุดเป็นอันดับสาม รองลงมาคือ Harbin Institute of Technology, Henan Ke Letter Cable Company, Donghua University, China Shanghai Petrochemical, Beijing Chemical Industry และอื่นๆ สิทธิบัตรการยื่นขอสิทธิบัตรถ่านหิน Shanxi ของสถาบันวิทยาศาสตร์จีนอยู่ในอันดับที่ 66 อยู่ในอันดับที่ 27 สถาบันของเกาหลีใต้มี 2 แห่ง โดย Xiaoxing Co., Ltd. อยู่ในอันดับหนึ่ง อยู่ในอันดับที่ 8

สถาบันผลผลิต ผลผลิตของเอกสารส่วนใหญ่มาจากมหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยทางวิทยาศาสตร์ ผลผลิตสิทธิบัตรส่วนใหญ่มาจากบริษัท จะเห็นได้ว่าการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นอุตสาหกรรมที่มีเทคโนโลยีสูง เนื่องจากเป็นส่วนหลักของการพัฒนาอุตสาหกรรมการวิจัยและพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทจึงให้ความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปกป้องเทคโนโลยีการวิจัยและพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งบริษัทใหญ่ 2 แห่งในญี่ปุ่น จำนวนสิทธิบัตรยังคงนำหน้าอยู่มาก

3.4 ศูนย์กลางการวิจัย

บทความวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์ครอบคลุมหัวข้อวิจัยส่วนใหญ่ ได้แก่ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ (รวมถึงคอมโพสิตเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ คอมโพสิตเมทริกซ์โพลิเมอร์ ฯลฯ) การวิจัยคุณสมบัติเชิงกล การวิเคราะห์องค์ประกอบไฟไนต์เอลิเมนต์ นาโนทิวบ์คาร์บอน การแยกชั้น การเสริมแรง ความล้า โครงสร้างจุลภาค การปั่นไฟฟ้าสถิต การปรับสภาพพื้นผิว การดูดซับ และอื่นๆ บทความวิจัยที่เกี่ยวข้องกับคำสำคัญเหล่านี้คิดเป็น 38.8% ของจำนวนบทความวิจัยทั้งหมด

สิทธิบัตรการประดิษฐ์คาร์บอนไฟเบอร์ครอบคลุมหัวข้อที่เกี่ยวข้องกับการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ อุปกรณ์การผลิต และวัสดุคอมโพสิตมากที่สุด ในบรรดาสิทธิบัตรเหล่านี้ บริษัท Toray, Mitsubishi Liyang, Teijin และบริษัทอื่นๆ ในเครือ Japan Toray, Mitsubishi Liyang และบริษัทอื่นๆ ในเครืออื่นๆ ในเครือ Japan Toray และ Mitsubishi Liyang ...

กลุ่มบริษัท Sinopec ของจีน มหาวิทยาลัยเคมีปักกิ่ง สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน เมืองหนิงโป วัสดุใน "การผลิตโพลีอะคริโลไนไตรล์ของคาร์บอนไฟเบอร์และอุปกรณ์การผลิต" มีสัดส่วนที่มากของรูปแบบการจดสิทธิบัตร นอกจากนี้ มหาวิทยาลัยวิศวกรรมเคมีปักกิ่ง สถาบันเคมีถ่านหินซานซี สถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติจีน และวัสดุหลักของรูปแบบการจัดวาง "การใช้เส้นใยธาตุอนินทรีย์เป็นส่วนผสมของการเตรียมสารประกอบโพลีเมอร์" เทคโนโลยีทำให้สถาบันเทคโนโลยีฮาร์บินมุ่งเน้นไปที่รูปแบบของ "การบำบัดคาร์บอนไฟเบอร์" "คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์และสารประกอบที่มีออกซิเจน" และเทคโนโลยีอื่นๆ

นอกจากนี้ จากสถิติการกระจายทางสถิติประจำปีของสิทธิบัตรทั่วโลกยังพบว่าจุดร้อนใหม่ๆ จำนวนมากเริ่มเกิดขึ้นในช่วงสามปีที่ผ่านมา เช่น "องค์ประกอบของโพลีอะไมด์ที่ได้จากการเกิดปฏิกิริยาพันธะคาร์บอกซิเลตในสายโซ่หลัก" "องค์ประกอบของโพลีเอสเตอร์จากการเกิดพันธะเอสเทอร์กรดคาร์บอกซิลิก 1 ตัวในสายโซ่หลัก" "วัสดุผสมจากวัสดุสังเคราะห์" "กรดคาร์บอกซิลิกแบบวงแหวนที่มีสารประกอบออกซิเจนเป็นส่วนผสมของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์" "ในรูปแบบสามมิติของการแข็งตัวหรือการบำบัดวัสดุสิ่งทอ" "อีเธอร์ไม่อิ่มตัว อะซีตัล เซมิอะซีตัล คีโตน หรืออัลดีไฮด์ผ่านปฏิกิริยาพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่ไม่อิ่มตัวเพียงอย่างเดียวในการผลิตสารประกอบโพลีเมอร์" "ท่อหรือสายเคเบิลวัสดุอะเดียแบติก" "คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีเอสเทอร์ฟอสเฟตเป็นส่วนผสม" และอื่นๆ

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การวิจัยและพัฒนา (R&D) ในภาคคาร์บอนไฟเบอร์ได้เกิดขึ้น โดยความก้าวหน้าส่วนใหญ่มาจากสหรัฐอเมริกาและญี่ปุ่น เทคโนโลยีล้ำสมัยล่าสุดไม่ได้มุ่งเน้นเฉพาะเทคโนโลยีการผลิตและการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์เท่านั้น แต่ยังมุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้กับวัสดุยานยนต์ที่หลากหลายมากขึ้น เช่น วัสดุน้ำหนักเบา การพิมพ์ 3 มิติ และวัสดุผลิตพลังงาน นอกจากนี้ การรีไซเคิลและการรีไซเคิลวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์ การเตรียมเส้นใยคาร์บอนจากไม้ลิกนิน และความสำเร็จอื่นๆ ล้วนมีประสิทธิภาพที่โดดเด่น ผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้:

1) สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียของสหรัฐฯ พัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สาม

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2558 สถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียได้รับทุนสนับสนุนจาก DARPA โดยใช้เทคนิคการปั่นเส้นใยคาร์บอนแบบแผ่นที่เป็นนวัตกรรมใหม่ โดยสามารถเพิ่มโมดูลัสได้อย่างมีนัยสำคัญ โดยแซงหน้าเส้นใยคาร์บอน Hershey IM7 ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องบินทหารในปัจจุบัน และถือเป็นประเทศที่ 2 ในโลกที่เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีเส้นใยคาร์บอนรุ่นที่สาม รองจากญี่ปุ่น

เส้นใยคาร์บอนแบบปั่นเจลที่ผลิตโดย Kumarz มีความแข็งแรงดึงอยู่ที่ 5.5-5.8 Gpa และโมดูลัสแรงดึงอยู่ระหว่าง 354-375 gpa "นี่คือเส้นใยต่อเนื่องที่มีรายงานถึงความแข็งแรงและโมดูลัสประสิทธิภาพโดยรวมสูงสุด ในกลุ่มเส้นใยสั้น ความแข็งแรงดึงสูงถึง 12.1 Gpa ถือเป็นเส้นใยคาร์บอนโพลีอะคริโลไนไตรล์ที่มีความแข็งแรงดึงสูงสุดเช่นกัน"

2) เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

ในปี พ.ศ. 2557 เนโดได้พัฒนาเทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เทคโนโลยีการคาร์บอไนเซชันด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า หมายถึงการใช้เทคโนโลยีการให้ความร้อนด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อทำให้เส้นใยคาร์บอนที่ความดันบรรยากาศสูงขึ้น ประสิทธิภาพของเส้นใยคาร์บอนที่ได้นั้นโดยพื้นฐานแล้วเทียบเท่ากับเส้นใยคาร์บอนที่ได้จากการให้ความร้อนด้วยอุณหภูมิสูง โดยโมดูลัสความยืดหยุ่นสามารถมีค่ามากกว่า 240GPA และมีค่าการยืดตัว ณ จุดขาดมากกว่า 1.5% ซึ่งถือเป็นความสำเร็จครั้งแรกของโลก

วัสดุคล้ายเส้นใยนี้ถูกเผาด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า จึงไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์เตาเผาถ่านที่ใช้สำหรับให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูง กระบวนการนี้ไม่เพียงแต่ช่วยลดเวลาในการเผาถ่านเท่านั้น แต่ยังช่วยลดการใช้พลังงานและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อีกด้วย

3) การควบคุมกระบวนการคาร์บอไนเซชันอย่างละเอียด

ในเดือนมีนาคม 2557 โทเรย์ได้ประกาศความสำเร็จในการพัฒนาเส้นใยคาร์บอน T1100G โทเรย์ใช้เทคโนโลยีการปั่นเส้นใยแบบ Pan Solution แบบดั้งเดิมเพื่อควบคุมกระบวนการคาร์บอไนเซชันอย่างละเอียด ปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคของเส้นใยคาร์บอนในระดับนาโน ควบคุมทิศทางของกราไฟต์ ขนาดของผลึก ข้อบกพร่อง และอื่นๆ ในเส้นใยหลังการคาร์บอไนเซชัน ส่งผลให้ความแข็งแรงและโมดูลัสยืดหยุ่นดีขึ้นอย่างมาก เส้นใย T1100G มีความแข็งแรงดึง 6.6GPa ซึ่งสูงกว่า T800 ถึง 12% และโมดูลัสยืดหยุ่น 324GPa ซึ่งเพิ่มขึ้น 10% กำลังเข้าสู่ขั้นตอนการพัฒนาอุตสาหกรรม

4) เทคโนโลยีการเคลือบผิว

Teijin East State ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวด้วยพลาสมา ซึ่งสามารถควบคุมรูปลักษณ์ของคาร์บอนไฟเบอร์ได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่วินาที เทคโนโลยีใหม่นี้ช่วยลดความซับซ้อนของกระบวนการผลิตโดยรวมได้อย่างมาก และลดการใช้พลังงานลง 50% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการปรับสภาพพื้นผิวสำหรับสารละลายอิเล็กโทรไลต์ในน้ำที่มีอยู่เดิม นอกจากนี้ หลังจากการปรับสภาพด้วยพลาสมา พบว่าการยึดเกาะของเส้นใยและเมทริกซ์เรซินดีขึ้นด้วย

5) การศึกษาอัตราการเก็บรักษาความแข็งแรงแรงดึงของเส้นใยคาร์บอนในสภาพแวดล้อมกราไฟต์อุณหภูมิสูง

บริษัท Ningbo Materials ประสบความสำเร็จในการดำเนินการศึกษาโดยละเอียดเกี่ยวกับการวิเคราะห์กระบวนการ การวิจัยโครงสร้าง และการเพิ่มประสิทธิภาพประสิทธิภาพของเส้นใยคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูงและโหมดสูงในประเทศ โดยเฉพาะงานวิจัยเกี่ยวกับอัตราการเก็บรักษาของความแข็งแรงดึงของเส้นใยคาร์บอนในสภาพแวดล้อมกราไฟต์ที่อุณหภูมิสูง และการเตรียมเส้นใยคาร์บอนที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูงที่ประสบความสำเร็จล่าสุด โดยมีความแข็งแรงดึง 5.24GPa และปริมาตรโมดูลัสแรงดึง 593GPa ซึ่งยังคงมีข้อได้เปรียบในด้านความแข็งแรงดึงเมื่อเทียบกับเส้นใยคาร์บอนขึ้นรูปที่มีความแข็งแรงสูง M60J ของ Toray ของญี่ปุ่น (ความแข็งแรงดึง 3.92GPa, โมดูลัสแรงดึง 588GPa)

6) ไมโครเวฟกราไฟท์

บริษัท Yongda Advanced Materials ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเทคโนโลยีกราไฟต์อุณหภูมิสูงพิเศษที่ได้รับสิทธิบัตรเฉพาะของสหรัฐอเมริกา ซึ่งสามารถผลิตเส้นใยคาร์บอนเกรดกลางและเกรดสูงได้ และสามารถฝ่าฟันอุปสรรคสำคัญ 3 ประการในการพัฒนาเส้นใยคาร์บอนเกรดสูงได้สำเร็จ อุปกรณ์กราไฟต์มีราคาแพงและอยู่ภายใต้การควบคุมระดับสากล ขณะเดียวกัน เทคโนโลยีเคมีของไหมดิบก็มีความยากลำบาก ผลผลิตต่ำและต้นทุนสูง จนถึงปัจจุบัน Yongda ได้พัฒนาเส้นใยคาร์บอน 3 ชนิด ซึ่งทั้งหมดได้ยกระดับความแข็งแรงและโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอนเกรดต่ำดั้งเดิมขึ้นไปอีกขั้น

7) กระบวนการใหม่ในการหลอมลวดดิบคาร์บอนไฟเบอร์จากกระทะโดย Fraunhofer ประเทศเยอรมนี

สถาบัน Fraunhofer Institute of Applied Polymers (สถาบันวิจัยพอลิเมอร์ประยุกต์ หรือ IAP) ประกาศเมื่อเร็วๆ นี้ว่าจะจัดแสดงเทคโนโลยี Comcarbon ล่าสุดในงาน Berlin Air Show Ila ที่จะจัดขึ้นในวันที่ 25 และ 29 เมษายน 2561 เทคโนโลยีนี้จะช่วยลดต้นทุนการผลิตเส้นใยคาร์บอนที่ผลิตจำนวนมากได้อย่างมาก

รูปที่ 4 การปั่นหลอมลวดดิบ

เป็นที่ทราบกันดีว่าในกระบวนการผลิตแบบดั้งเดิมนั้น ต้นทุนการผลิตเส้นใยคาร์บอนแบบแผ่น (Pan-based carbon fiber) ครึ่งหนึ่งถูกใช้ไปกับกระบวนการผลิตลวดดิบ เนื่องจากลวดดิบไม่สามารถหลอมเหลวได้ จึงจำเป็นต้องผลิตโดยใช้กระบวนการปั่นเส้นใยแบบสารละลาย (Solution Spinning) ซึ่งมีราคาแพง “ด้วยเหตุนี้ เราจึงได้พัฒนากระบวนการผลิตเส้นใยดิบแบบแผ่นใหม่ ซึ่งสามารถลดต้นทุนการผลิตลวดดิบลงได้ถึง 60% นี่เป็นกระบวนการปั่นเส้นใยแบบหลอมเหลวที่ประหยัดและเป็นไปได้ โดยใช้โคพอลิเมอร์แบบแผ่นที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษ” ดร. โยฮันเนส แกนสเตอร์ รัฐมนตรีว่าการกระทรวงพอลิเมอร์ชีวภาพ สถาบัน Fraunhofer IAP อธิบาย

8) เทคโนโลยีออกซิเดชันพลาสม่า

4M Carbon Fiber ประกาศว่าจะใช้เทคโนโลยีพลาสมาออกซิเดชันเพื่อผลิตและจำหน่ายคาร์บอนไฟเบอร์คุณภาพสูงราคาประหยัด โดยมุ่งเน้นกลยุทธ์ ไม่ใช่เพียงการขอลิขสิทธิ์เทคโนโลยีเท่านั้น 4M อ้างว่าเทคโนโลยีพลาสมาออกซิเดชันเร็วกว่าเทคโนโลยีออกซิเดชันแบบเดิมถึง 3 เท่า ขณะที่ใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีดั้งเดิมถึงหนึ่งในสาม คำกล่าวอ้างเหล่านี้ได้รับการรับรองจากผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ระดับนานาชาติหลายราย ซึ่งกำลังปรึกษาหารือกับผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์และผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ที่สุดของโลกหลายราย เพื่อเข้าร่วมเป็นผู้ริเริ่มการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ราคาประหยัด

9) เส้นใยนาโนเซลลูโลส

มหาวิทยาลัยเกียวโตแห่งประเทศญี่ปุ่น ร่วมกับซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนหลักหลายราย เช่น บริษัทติดตั้งระบบไฟฟ้า (ซัพพลายเออร์รายใหญ่ที่สุดของโตโยต้า) และบริษัทไดเคียวนิชิกาวะ กำลังพัฒนาวัสดุพลาสติกที่ผสมผสานเส้นใยนาโนเซลลูโลส วัสดุนี้ผลิตขึ้นโดยการย่อยเยื่อไม้ให้มีขนาดเล็กเพียงไม่กี่ไมครอน (1 ไมครอนต่อหนึ่งพันมิลลิเมตร) วัสดุใหม่นี้มีน้ำหนักเพียงหนึ่งในห้าของน้ำหนักเหล็ก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าเหล็กถึงห้าเท่า

10) ตัวหน้าคาร์บอนไฟเบอร์จากวัตถุดิบโพลีโอเลฟินและลิกนิน

ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในสหรัฐอเมริกาดำเนินการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ต้นทุนต่ำมาตั้งแต่ปี 2550 และได้พัฒนาโครงด้านหน้าคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับวัตถุดิบโพลีโอเลฟินและลิกนิน รวมถึงเทคโนโลยีการคาร์บอไนเซชันล่วงหน้าในพลาสมาและไมโครเวฟขั้นสูง

11) พอลิเมอร์ชนิดใหม่ (พอลิเมอร์เบื้องต้น) ได้รับการพัฒนาโดยการกำจัดการบำบัดที่ทนไฟ

ในวิธีการผลิตที่นำโดยมหาวิทยาลัยโตเกียว ได้มีการพัฒนาพอลิเมอร์ชนิดใหม่ (พอลิเมอร์ตั้งต้น) เพื่อขจัดสารทนไฟ ประเด็นสำคัญคือ หลังจากการปั่นพอลิเมอร์ให้เป็นเส้นไหมแล้ว จะไม่เกิดการทนไฟแบบเดิม แต่จะทำให้เกิดการออกซิไดซ์ในตัวทำละลาย จากนั้นอุปกรณ์ให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟจะถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,000 องศาเซลเซียส เพื่อคาร์บอไนเซชัน เวลาในการให้ความร้อนใช้เวลาเพียง 2-3 นาที หลังจากคาร์บอไนเซชันแล้ว พลาสมาจะถูกใช้เพื่อปรับสภาพพื้นผิว เพื่อให้สามารถผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้ การปรับสภาพด้วยพลาสมาใช้เวลาน้อยกว่า 2 นาที ด้วยวิธีนี้ สามารถลดเวลาการเผาผนึกเดิมจาก 30-60 นาที เหลือเพียงประมาณ 5 นาที ในวิธีการผลิตแบบใหม่นี้ การปรับสภาพด้วยพลาสมาจะช่วยเพิ่มการยึดเกาะระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินเทอร์โมพลาสติกซึ่งเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับ CFRP โมดูลัสยืดหยุ่นแรงดึงของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ผลิตโดยวิธีการผลิตแบบใหม่นี้คือ 240 GPa ความต้านทานแรงดึง 3.5 GPa และการยืดตัวสูงถึง 1.5% ค่าเหล่านี้เป็นระดับเดียวกับคาร์บอนไฟเบอร์เกรด Toray Universal T300 ที่ใช้สำหรับอุปกรณ์กีฬา ฯลฯ

12) การรีไซเคิลและการใช้ประโยชน์ของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์โดยใช้กระบวนการฟลูอิไดซ์เบด

เหมิงหราน เหมิง ผู้เขียนคนแรกของการศึกษา กล่าวว่า "การนำเส้นใยคาร์บอนกลับมาใช้ใหม่ช่วยลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเทียบกับการผลิตเส้นใยคาร์บอนดิบ แต่ยังมีการรับรู้เกี่ยวกับเทคโนโลยีการรีไซเคิลที่มีศักยภาพและความเป็นไปได้ทางเศรษฐกิจของการรีไซเคิลเส้นใยคาร์บอนอย่างจำกัด" การรีไซเคิลมีสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกคือ การนำเส้นใยออกจากคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอน แล้วย่อยสลายด้วยความร้อนด้วยการบดวัสดุด้วยเครื่องจักร หรือโดยใช้กระบวนการไพโรไลซิสหรือฟลูอิไดซ์เบด วิธีการเหล่านี้จะกำจัดส่วนที่เป็นพลาสติกของวัสดุคอมโพสิตออกไป เหลือเส้นใยคาร์บอนซึ่งสามารถนำไปแปรรูปเป็นแผ่นใยที่พันกันโดยใช้เทคโนโลยีการผลิตกระดาษแบบเปียก หรือจัดโครงสร้างใหม่เป็นเส้นใยแบบมีทิศทางได้

นักวิจัยคำนวณว่าเส้นใยคาร์บอนสามารถนำมารีไซเคิลจากขยะคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้โดยใช้กระบวนการฟลูอิไดซ์เบด ซึ่งใช้ต้นทุนเพียง 5 ดอลลาร์ต่อกิโลกรัม และใช้พลังงานน้อยกว่า 10% ของต้นทุนที่ใช้ในการผลิตเส้นใยคาร์บอนปฐมภูมิ เส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลที่ผลิตโดยกระบวนการฟลูอิไดซ์เบดแทบจะไม่ลดค่าโมดูลัส และความต้านทานแรงดึงลดลง 18% ถึง 50% เมื่อเทียบกับเส้นใยคาร์บอนปฐมภูมิ ทำให้เส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลเหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแข็งสูงมากกว่าความแข็งแรง “เส้นใยคาร์บอนรีไซเคิลอาจเหมาะสำหรับการใช้งานที่ไม่ใช่โครงสร้างที่ต้องการน้ำหนักเบา เช่น อุตสาหกรรมยานยนต์ ก่อสร้าง พลังงานลม และกีฬา” เหมิงกล่าว

13) เทคโนโลยีใหม่ในการรีไซเคิลคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการพัฒนาในสหรัฐอเมริกา

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2559 นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียในสหรัฐฯ แช่เส้นใยคาร์บอนในตัวทำละลายที่มีแอลกอฮอล์เพื่อละลายเรซินอีพอกซี เส้นใยและเรซินอีพอกซีที่แยกออกมาสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ ซึ่งนับเป็นความสำเร็จในการกู้คืนเส้นใยคาร์บอน

ในเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2560 มหาวิทยาลัยแห่งรัฐวอชิงตันได้พัฒนาเทคโนโลยีการกู้คืนเส้นใยคาร์บอน โดยใช้กรดอ่อนเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา การใช้เอธานอลเหลวที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำในการย่อยสลายวัสดุเทอร์โมเซ็ตติ้ง เส้นใยคาร์บอนและเรซินที่สลายตัวแล้วจะถูกเก็บรักษาแยกจากกัน และสามารถนำไปผลิตซ้ำได้

14) การพัฒนาเทคโนโลยีหมึกคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับการพิมพ์ 3 มิติในห้องปฏิบัติการ LLNL สหรัฐอเมริกา

ในเดือนมีนาคม 2560 ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอว์เรนซ์ไลฟ์มอร์ (LLNL) ในสหรัฐอเมริกา ได้พัฒนาคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์เกรดอากาศยานประสิทธิภาพสูงที่พิมพ์ 3 มิติเป็นครั้งแรก โดยใช้วิธีการพิมพ์ 3 มิติแบบส่งผ่านหมึกโดยตรง (DIW) เพื่อสร้างโครงสร้างสามมิติที่ซับซ้อน ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วในการประมวลผลอย่างมากสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมยานยนต์ อวกาศ การป้องกันประเทศ การแข่งขันรถจักรยานยนต์ และการเล่นกระดานโต้คลื่น

15) สหรัฐอเมริกา เกาหลี และจีน ร่วมมือกันพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อการผลิตพลังงาน

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2560 วิทยาเขตดัลลัสของมหาวิทยาลัยเท็กซัส มหาวิทยาลัยฮันยางในประเทศเกาหลี มหาวิทยาลัยหนานไคในประเทศจีน และสถาบันอื่นๆ ได้ร่วมมือกันพัฒนาวัสดุเส้นใยคาร์บอนสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้า เส้นด้ายจะถูกแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ เช่น น้ำเกลือก่อน เพื่อให้ไอออนในอิเล็กโทรไลต์เกาะติดกับพื้นผิวของนาโนทิวบ์คาร์บอน ซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้เมื่อเส้นด้ายถูกดึงหรือยืด วัสดุนี้สามารถใช้งานได้ในทุกพื้นที่ที่มีพลังงานจลน์ที่เชื่อถือได้ และเหมาะสำหรับการจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์ IoT

16) ความก้าวหน้าใหม่ในการวิจัยเส้นใยคาร์บอนลิกนินไม้ที่ได้รับจากจีนและอเมริกาตามลำดับ

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2560 ทีมเส้นใยพิเศษของสถาบันเทคโนโลยีวัสดุและวิศวกรรมหนิงโป ได้เตรียมโคพอลิเมอร์ลิกนิน-อะคริโลไนไตรล์ที่มีความสามารถในการปั่นด้ายและเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี โดยใช้เทคโนโลยีการดัดแปลงสองขั้นตอนแบบเอสเทอริฟิเคชันและโคพอลิเมอร์ไรเซชันอนุมูลอิสระ เส้นใยต่อเนื่องคุณภาพสูงได้มาโดยใช้โคพอลิเมอร์และกระบวนการปั่นแบบเปียก ส่วนเส้นใยคาร์บอนขนาดกะทัดรัดได้มาหลังจากผ่านกระบวนการปรับเสถียรภาพทางความร้อนและคาร์บอไนเซชัน

ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2560 ทีมวิจัย Birgitte ahring จากมหาวิทยาลัยวอชิงตัน สหรัฐอเมริกา ได้ผสมลิกนินและโพลีอะคริโลไนไตรล์ในสัดส่วนที่แตกต่างกัน แล้วใช้เทคโนโลยีการปั่นหลอมเพื่อแปลงพอลิเมอร์ผสมให้เป็นเส้นใยคาร์บอน ผลการศึกษาพบว่าลิกนินที่เติมลงไป 20%-30% ไม่ส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงของเส้นใยคาร์บอน และคาดว่าจะนำไปใช้ในการผลิตวัสดุเส้นใยคาร์บอนที่มีต้นทุนต่ำสำหรับชิ้นส่วนยานยนต์หรือเครื่องบิน

เมื่อปลายปี พ.ศ. 2560 ห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (NREL) ได้เผยแพร่งานวิจัยเกี่ยวกับการผลิตอะคริโลไนไตรล์โดยใช้ชิ้นส่วนพืชเหลือทิ้ง เช่น ฟางข้าวโพดและฟางข้าวสาลี โดยเริ่มจากการย่อยวัสดุจากพืชให้เป็นน้ำตาล จากนั้นเปลี่ยนเป็นกรด และนำไปผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาราคาถูกเพื่อผลิตผลิตภัณฑ์เป้าหมาย

17) ญี่ปุ่นพัฒนาโครงรถยนต์คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์เป็นรายแรก

เดือนตุลาคม 2560 หน่วยงานวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีพลังงานใหม่ของญี่ปุ่นและศูนย์วิจัยคอมโพสิตแห่งชาติ มหาวิทยาลัยนาโกย่า ประสบความสำเร็จในการพัฒนาแชสซีรถยนต์คอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นแรกของโลก โดยใช้กระบวนการขึ้นรูปแบบออนไลน์โดยตรงของคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยยาวอัตโนมัติ ผสมอนุภาคคาร์บอนไฟเบอร์และเรซินเทอร์โมพลาสติกอย่างต่อเนื่อง การผลิตคอมโพสิตเสริมแรงด้วยเส้นใย และผ่านกระบวนการให้ความร้อนและการหลอม ส่งผลให้สามารถผลิตแชสซีรถยนต์ CFRP เทอร์โมพลาสติกได้สำเร็จ

5. ข้อเสนอแนะเกี่ยวกับการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน

5.1 เค้าโครงที่มองไปข้างหน้า มุ่งเน้นเป้าหมาย มุ่งเน้นการบุกเบิกเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สาม

เทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์รุ่นที่สองของจีนยังไม่ถือเป็นความก้าวหน้าอย่างครอบคลุม ประเทศของเราควรพยายามที่จะเป็นแนวทางที่มองไปข้างหน้าที่จะนำสถาบันวิจัยที่เกี่ยวข้องของเรามารวมกัน โดยมุ่งเน้นไปที่การจับเทคโนโลยีหลัก การมุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์ประสิทธิภาพสูงรุ่นที่สาม (กล่าวคือ สามารถนำไปใช้กับเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ) และเทคโนโลยีวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ได้รับการพัฒนา รวมถึงการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์แบบลากจูงขนาดใหญ่ที่มีน้ำหนักเบาและต้นทุนต่ำสำหรับยานยนต์ การก่อสร้างและซ่อมแซม และอื่นๆ วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมแต่ง เทคโนโลยีการรีไซเคิล และเทคโนโลยีการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว

5.2 การประสานงานองค์กร เสริมสร้างการสนับสนุน จัดตั้งโครงการทางเทคนิคที่สำคัญเพื่อสนับสนุนการวิจัยร่วมมืออย่างต่อเนื่อง

ปัจจุบันมีสถาบันหลายแห่งที่ดำเนินการวิจัยด้านคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน แต่อำนาจกลับกระจัดกระจาย ยังไม่มีกลไกการวิจัยและพัฒนาที่เป็นหนึ่งเดียวและการสนับสนุนเงินทุนที่แข็งแกร่งเพื่อการประสานงานที่มีประสิทธิภาพ จากประสบการณ์การพัฒนาของประเทศที่พัฒนาแล้ว การจัดองค์กรและรูปแบบของโครงการสำคัญๆ มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการส่งเสริมการพัฒนาด้านเทคนิคนี้ เราควรให้ความสำคัญกับข้อได้เปรียบด้านวิจัยและพัฒนาของจีน โดยพิจารณาจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีด้านคาร์บอนไฟเบอร์ของจีน เพื่อริเริ่มโครงการสำคัญๆ เสริมสร้างนวัตกรรมทางเทคโนโลยีร่วมกัน และส่งเสริมระดับเทคโนโลยีการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ของจีนอย่างต่อเนื่อง รวมถึงการแข่งขันด้านคาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุผสมในระดับนานาชาติ

5.3 การปรับปรุงกลไกการประเมินผลการประยุกต์ใช้งานตามผลสัมฤทธิ์ทางการเรียนทางเทคนิค

จากมุมมองการวิเคราะห์ทางเศรษฐมิติของงานวิจัย SCI พบว่าคาร์บอนไฟเบอร์ของจีนเป็นวัสดุสมรรถนะสูงที่ใช้ในงานวิจัยหลากหลายสาขา แต่สำหรับเทคโนโลยีการผลิตและการเตรียมคาร์บอนไฟเบอร์นั้น มุ่งเน้นการลดต้นทุนและเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตโดยเฉพาะอย่างยิ่งการวิจัยที่น้อยลง กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์นั้นยาวนาน มีจุดสำคัญทางเทคโนโลยีและมีอุปสรรคในการผลิตสูง เป็นการบูรณาการหลายสาขาวิชาและเทคโนโลยี จำเป็นต้องฝ่าฟันอุปสรรคทางเทคนิค เพื่อส่งเสริมการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมแกนกลางที่ "ต้นทุนต่ำ ประสิทธิภาพสูง" อย่างมีประสิทธิภาพ ในด้านหนึ่งจำเป็นต้องเสริมสร้างการลงทุนด้านการวิจัย ในขณะเดียวกันก็ต้องลดทอนขอบเขตของการประเมินผลงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ เสริมสร้างแนวทางการประเมินผลการประยุกต์ใช้ของความสำเร็จทางเทคนิค และเปลี่ยนจากการประเมิน "เชิงปริมาณ" ซึ่งให้ความสำคัญกับการตีพิมพ์งานวิจัย ไปสู่การประเมิน "คุณภาพ" ของผลลัพธ์

5.4 การเสริมสร้างการปลูกฝังบุคลากรที่มีความสามารถด้านเทคโนโลยีขั้นสูง

คุณลักษณะด้านเทคโนโลยีขั้นสูงของเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์กำหนดความสำคัญของบุคลากรเฉพาะทาง ไม่ว่าพวกเขาจะมีบุคลากรทางเทคนิคหลักที่ล้ำสมัยหรือไม่ก็ตาม จะกำหนดระดับการวิจัยและพัฒนาของสถาบันโดยตรง

จากความร่วมมือด้านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ เราควรให้ความสำคัญกับการฝึกอบรมบุคลากรด้านสารประกอบ เพื่อให้มั่นใจว่าทุกฝ่ายจะประสานงานและพัฒนาไปพร้อมกัน นอกจากนี้ จากประวัติการพัฒนางานวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน กระแสผู้เชี่ยวชาญด้านเทคโนโลยีหลักมักเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อระดับการวิจัยและพัฒนาของสถาบันวิจัย การรักษาบุคลากรและทีมงานวิจัยและพัฒนาให้อยู่ในกระบวนการผลิต วัสดุผสม และผลิตภัณฑ์หลัก เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างต่อเนื่อง

เราควรเสริมสร้างการฝึกอบรมและการใช้บุคลากรด้านเทคโนโลยีขั้นสูงเฉพาะทางในสาขานี้ต่อไป ปรับปรุงนโยบายการประเมินและการรักษาบุคลากรด้านการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยี เสริมสร้างการปลูกฝังบุคลากรรุ่นใหม่ สนับสนุนความร่วมมือและการแลกเปลี่ยนกับสถาบันด้านการวิจัยและพัฒนาขั้นสูงจากต่างประเทศอย่างแข็งขัน และแนะนำบุคลากรระดับสูงจากต่างประเทศอย่างแข็งขัน เป็นต้น สิ่งนี้จะมีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการพัฒนาการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ในประเทศจีน
อ้างจาก-
บทวิเคราะห์เกี่ยวกับการพัฒนาเทคโนโลยีคาร์บอนไฟเบอร์ระดับโลกและการต่อยอดสู่จีน เทียน ยีจวน, จาง จื้อเฉียง, เต้า เฉิง, หยาง หมิง, ปา จิน, เฉิน หยุนเว่ยการวิจัยและพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับโลกปี 2018