Với các mối quan tâm về kinh tế tuần hoàn (Circular Economy) và trách nhiệm mở rộng của nhà sản xuất (EPR – Extended Producer Responsibility), tính bền vững, thân thiện với môi trường của các nguồn nguyên vật liệu công nghiệp cũng ngày càng được quan tâm.
Trong đó, sợi carbon là một vật liệu tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất ô tô, hàng không vũ trụ, thể thao,… Vậy sợi carbon là gì? Sợi thân thiện với môi trường không? Hãy cùng Minaco tìm hiểu ngay trong bài viết sau đây nhé!
Sợi carbon là gì?
Cấu tạo của sợi carbon
Sợi carbon là vật liệu có hiệu suất cao, được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như ngành hàng không, vũ trụ, quân đội, năng lượng gió và ngành công nghiệp ô tô,… 90% sợi carbon ngày nay được làm từ Polyacrylonitrile – chất được sản xuất từ các sản phẩm có nguồn gốc dầu mỏ (Hay còn được gọi là sợi PAN).
Bên cạnh đó, sợi carbon còn có thể được sản xuất từ sợi Rayon hay còn gọi là Viscose, là một loại sợi bán tổng hợp được làm từ các nguồn cellulose tái sinh tự nhiên, như bột gỗ, vỏ cây, hoặc các sản phẩm nông nghiệp liên quan. Rayon được nung nóng đến nhiệt độ cao trong môi trường không có oxy, cho đến khi chúng được carbon hóa.
Ưu điểm của sợi carbon
- Độ bền cao: Sợi carbon được cấu tạo bởi các nguyên tử carbon liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị và sắp xếp theo mô hình lục giác đều, đây là loại liên kết mạnh nhất trong tự nhiên. Bên cạnh đó, sợi carbon được sử dụng trong công nghiệp là kết quả của việc đan kết hàng nghìn sợi carbon lại với nhau, từ đó tạo ra một cấu trúc tinh thể có độ bền cao và khả năng chịu tải tốt. Sợi carbon có độ bền kéo cao hơn thép gấp 5 lần và nhôm gấp 10 lần, giúp nó có khả năng chịu tải cao mà không bị biến dạng.
- Trọng lượng nhẹ: Carbon là là một nguyên tố có trọng lượng nhẹ – khối lượng chỉ 12g/mol (nhẹ hơn 5 lần sắt), nên sợi carbon từ đó cũng thừa hưởng được đặc tính nhẹ của carbon. Trong thực tế, sợi carbon chỉ nặng bằng 1/5 thép và 1/4 nhôm, giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng cần trọng lượng nhẹ như xe đua, máy bay, và các thiết bị thể thao.
- Khả năng chống ăn mòn: Sợi carbon không bị gỉ sét, ăn mòn bởi hóa chất hay nước biển, giúp nó có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Hạn chế của sợi carbon
- Giá thành cao: Theo nghiên cứu Carbon Fibre in Mass Automotive Applications: Challenges and Drivers for composites (tạm dịch Sợi carbon trong ứng dụng ô tô đại chúng: Những thách thức và trình điều khiển cho vật liệu tổng hợp) của Jaguar Land Rover chỉ ra rằng nếu sản xuất các bộ phận ô tô từ nguyên vật liệu là sợi carbon hiện có giá cao hơn thép gấp 20 lần và gấp 10 lần so với nhôm. Do đó, có thể thấy, sợi carbon là một vật liệu tương đối đắt đỏ, do quá trình sản xuất phức tạp và nguyên liệu đầu vào đắt tiền.
- Công đoạn tái chế mất nhiều công sức hơn so với các loại vật liệu khác do sợi carbon thường được kết hợp với nhiều loại nhựa khác nhau, tạo thành vật liệu composite.
Sợi carbon có thân thiện với môi trường không?
Thực trạng sản xuất và sử dụng sợi carbon
Tính đến hiện tại, gần như chưa có bất kỳ giải pháp bền vững nào dành cho Sợi Carbon. Hay có thể nói sợi Carbon hoàn hoàn không thân thiện với môi trường.
Mặc dù sản phẩm có độ bền cao và tuổi thọ cao, tuy nhiên với quá trình sản xuất lâu dài và phức tạp với hầu hết là quá trình Oxi hóa và Carbon hóa nên quá trình sản xuất Sợi Carbon tiêu tốn rất nhiều năng lượng, cũng như đã thải ra môi trường một lượng lớn khí thải CO2.
Theo báo cáo Đánh giá vòng đời sản phẩm (Life Cycle Assessment – LCA) của Hiệp hội các nhà sản xuất sợi carbon Nhật Bản, việc sản xuất sợi carbon gây ra một lượng khí thải CO2 là 20 tấn/ tấn sợi carbon. Từ đó, quá trình sản xuất Sợi Carbon có thể gây ra những ảnh hưởng nặng nề đến môi trường nếu như lượng khí khí thải sản xuất không được xử lý đúng cách.
Bên cạnh đó, để trở thành vật liệu compozit (hay còn gọi là vật liệu tổ hợp) thì các sợi carbon còn được kết hợp với một loại nhựa polime; do đó, vật liệu không thể phân hủy sinh học.
Thêm vào đó, vật liệu tổng hợp sợi carbon có được độ bền từ các sợi carbon dài, được căn chỉnh chính xác, được cố định trong polyme giống như keo được xử lý ở nhiệt độ và áp suất cao. Sau khi được xử lý, hầu hết các polyme cứng này sẽ không tan chảy và phải đốt cháy hoặc hòa tan về mặt hóa học để thu hồi các sợi có giá trị. Do đó, quá trình tái chế sợi carbon cũng rất khó khăn khi không thể nấu chảy và tái chế như các loại nhôm, thép.
Báo cáo Getting it right from the start: Developing a circular economy for novel materials (tạm dịch: Làm đúng ngay từ đầu: Phát triển nền kinh tế tuần hoàn cho những vật liệu mới) vào tháng 2 của tổ chức từ thiện môi trường Green Alliance đã liệt kê sợi carbon là một trong những vật liệu mới có thể tạo ra vấn đề lãng phí trong tương lai nếu chúng ta không hành động nhanh chóng.
Lấy sản xuất ô tô làm ví dụ, ít nhất 95% trọng lượng của một chiếc xe mới cần được tái chế khi hết vòng đời. Nếu không có giải pháp tái sử dụng sợi carbon hiệu quả, nhiều nhà sản xuất ô tô sẽ khó đạt được các mục tiêu này (sợi Carbon là vật liệu chủ yếu được ứng dụng để chế tạo ra các bộ phận như vỏ xe, động cơ xe, khung xe,…)
Và hiện nay, chỉ sợi carbon 20% được tái chế trong khi 35% sợi carbon được đưa vào bãi chôn lấp. Con số đó càng trở nên tồi tệ hơn khi nhìn vào sợi thủy tinh.
Quy trình tái chế Sợi Carbon
Hiện nay quy trình tái chế sợi carbon được thực hiện theo quy trình HiPerDiF (High Performance Discontinuous Fibre – sợi không liên tục hiệu xuất cao) được phát minh tại Đại học Bristol, gồm hai bước sau:
- Thu thập các vật liệu từ Sợi Carbon cần tái chế, các sợi carbon này sẽ được cắt thành các mảnh nhỏ và gửi đến các cơ sở thu hồi, nơi các sợi carbon khô được trả lại dưới dạng vật liệu mịn.
- Giai đoạn tiếp theo, thông qua một quy trình tái chế mới giống như “quy trình sản xuất giấy công nghệ cao”, các sợi carbon sau khi được nghiền thành bột sẽ được trộn với nước, sau đó đưa qua máy và phun giữa các lớp song song giúp chúng được sắp xếp thành các dải băng một chiều/băng đơn hướng (Băng UD – uni-directional tapes)
Tuy nhiên, theo như Steve Pickering – Giáo sư Cơ khí, Khoa Kỹ thuật tại Đại học Nottingham, cho biết Sợi Carbon tái chế này sẽ tạo ra các sợi ngắn và lộn xộn hơn so với các sợi được sản xuất mới, từ đó làm giảm khả năng chịu tải của loại vật liệu này. Pickering cũng cho biết, Sợi Carbon tái chế thường được sử dụng trong vợt tennis và gậy đánh gôn, nơi tính chất trọng lượng nhẹ quan trọng hơn độ bền.
Tương lai của sợi carbon tái chế
Theo một đánh giá trên trang The Manufacturer, việc tái chế các sản phẩm sợi carbon chỉ sử dụng một lượng 20% năng lượng cần thiết so với quá trình sản xuất lần đầu tiên. Từ đó, đặt ra câu hỏi cho các nhà sản xuất là “Vậy tại sao lại không đầu tư nhiều nỗ lực hơn vào việc tái sử dụng các vật liệu sợi cũ?”
Như vậy, nếu thành công trong việc tái chế hiệu quả hơn các sản phẩm phế thải từ sợi carbon thì có thể tác động lớn đến chi phí sản xuất.
Từ bài viết trên, ta có thể kết luận cho câu hỏi “Sợi carbon có thân thiện với môi trường không?” đó chính là “Sợi carbon không thân thiện với môi trường và hiện nay chưa có biện pháp để cải thiện thực trạng này”. Tuy nhiên, không thể phủ nhận các sản phẩm sợi carbon này có một đóng góp rất lớn trong nền sản xuất (đặc biệt là sản xuất ô tô, máy bay) và xây dựng.
Mong rằng trong tương lai, với sự quan tâm, nghiên cứu, chúng ta có thể tìm ra những phương pháp sản xuất và tái chế sợi carbon, để vật liệu này trở nên thân thiện với môi trường hơn.
Xem thêm: Cao su tổng hợp có thân thiện với môi trường không? Các biện pháp thay thế cao su tổng hợp
