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Il futuro dei compositi in fibra di carbonio

I compositi rinforzati in fibra di carbonio stanno attraversando una fase tecnologica e di mercato di grande cambiamento. La debolezza della domanda dei settori aeronautico e automobilistico. Le opportunità della standardizzazione e del riciclo per ampliare le possibilità applicative.

L’industria della fibra di carbonio sta attualmente affrontando tre grandi cambiamenti: debolezza nei mercati, standardizzazione delle fibre e riciclo. Il riciclo e la standardizzazione potrebbero essere un’opportunità per l’industria per formare un’economia circolare, aumentarne l’adozione e diversificare la catena del valore delle CFRP e, così facendo, creare nuova domanda di fibra di carbonio. Tuttavia, entrambe sono minacce potenzialmente competitive per i produttori di fibre esistenti, che hanno controllato questo spazio. È quanto emerge da una ricerca di Drishti Masand, Research Associate, e Anthony Schiavo, Senior Analyst di Lux Research.

Consentire la standardizzazione delle fibre e il riciclo è la chiave per espandere il mercato delle CFRP. La standardizzazione sarà la chiave per abilitare ed espandere il riciclo di fibre di carbonio in un sistema più globale e unificato. La fibra di carbonio riciclata amplierà il valore del mercato, non cannibalizzerà le applicazioni esistenti e ne spingerà l’adozione. Con una catena del valore più ampia e opportunità per più aziende di produrre con fibre di carbonio, il numero di aziende e settori che considera le CFRP come una nuova opportunità si allargherà.

I settori di applicazione

La debolezza nella domanda dell’industria aerospaziale e automobilistica riduce la crescita della fibra di carbonio; la domanda raggiungerà le 264.000 tonnellate nel 2030. Lux ha sostanzialmente abbassato le prospettive di crescita rispetto alle previsioni per il 2017.

  • La differenza più grande è nel settore aerospaziale. Le proiezioni del 2017 erano eccessivamente aggressive sulle consegne delle compagnie aeree commerciali e dovevano essere declassate, anche prima del doppio impatto del blocco della produzione del 737 Max e della pandemia Covid-19. Con questi eventi estremi, la previsione scende in modo significativo (da 27.000 tonnellate) a 21.000 tonnellate nel 2020, arrivando a sole 35.000 tonnellate nel 2030 (rispetto alle oltre 45.000 tonnellate nel 2025). I consumi nel 2020 potrebbero essere sostanzialmente inferiori a quelli mostrati nel grafico.
  • Anche l’industria automobilistica ha sofferto dal 2017; vendite e profitti sono stati colpiti prima del Covid-19 e da allora hanno subito una caduta in picchiata. Ciò ha notevolmente ritardato l’adozione di fibre di carbonio e la nuova previsione dice che l’industria automobilistica raggiungerà le 64.000 tonnellate nel 2030, circa cinque anni dopo rispetto a quanto previsto nel rapporto del 2017.
  • La previsione precedente era corretta per l’eolico, prevedendo aumenti sostanziali nella crescita dell’eolico offshore, che sembra essere sulla buona strada. Sono state corrette alcune delle previsioni e ridotto i consumi complessivi a terra, poiché l’adozione in alcuni componenti, come le torri, è stata più lenta del previsto.
  • Le previsioni per petrolio e gas rimangono deboli, poiché i prezzi del petrolio costantemente bassi rendono l’esplorazione sottomarina – dove la fibra di carbonio ha il miglior caso d’uso – una prospettiva antieconomica.
  • Le previsioni relative ai recipienti a pressione rimangono sostanzialmente invariate fino al 2025, ma è prevista una forte crescita dal 2025 al 2030 con la ripresa della domanda di idrogeno.

Previsioni di mercato

Il mercato del CFRP crescerà fino a 64 miliardi di dollari entro il 2030. Ciò riflette la debolezza dovuta alla domanda di fibra di carbonio; la crescita più lenta nei settori aerospaziale e automobilistico indebolisce la domanda complessiva. Questa debolezza riporta indietro la crescita complessiva di circa quattro o cinque anni rispetto alle previsioni del 2017, quando ci si aspettava che il mercato delle CFRP raggiungesse la fascia media di $ 65 miliardi entro il 2025 circa.

Come nel 2017, ci si aspetta che il settore eolico offshore crescerà fino a diventare il più grande centro di domanda generale, poiché le grandi pale incentivano l’uso di CFRP rigide e le riduzioni dei costi offerte dai cappucci pultrusi consentono una maggiore penetrazione nel mercato dei componenti più economici.

Questo rapporto si concentra sulle innovazioni in quattro delle cinque fasi principali del processo di produzione CFRP. Dividiamo lo spazio CFRP in cinque sezioni:

  • Produzione di precursori: il poliacrilonitrile (PAN) è il precursore più comune; tuttavia, ci sono diverse alternative che verranno analizzate.
  • Produzione di fibre: varia a seconda del precursore utilizzato. Il problema principale è la standardizzazione delle fibre, che può creare opportunità per nuovi player.
  • Per informazioni sulla produzione di compositi, vedere il rapporto Lux “Composite Manufacturing Update 2018 Edition”.
  • Progettazione e utilizzo dei compositi: le applicazioni dei composite in CFRP devono espandersi per una più ampia adozione e aumentare le dimensioni del mercato.
  • Fine vita: attualmente, i materiali compositi vengono smaltiti in discarica. Tuttavia, il CF è un materiale prezioso e il CFRP deve essere riciclato per recuperare questo valore. Il riciclo deve anche crescere oltre quello dei rifiuti postindustriali fino al riciclo dei rifiuti post-consumo.

I precursori

Almeno il 90% delle fibre di carbonio disponibili in commercio sono a base di PAN e il PAN rimarrà probabilmente il precursore predefinito dei CF.

Il poliacrilonitrile (PAN) è una resina polimerica organica semicristallina sintetica con formula lineare (C3H3N)n. Quasi tutte le resine PAN sono copolimeri costituiti da miscele di monomeri, con l’acrilonitrile come monomero principale.

Le fibre PAN sono il precursore chimico della fibra di carbonio di alta qualità. La stragrande maggioranza della fibra di carbonio del mondo è derivata dal PAN realizzato utilizzando un monomero ACN di propilene e ammoniaca. L’ACN viene polimerizzato in PAN combinandolo con comonomeri acrilici plastificati e un catalizzatore. L’intero processo di produzione e conversione chimica è complesso, costoso e ad alta intensità energetica. Inoltre, la produzione di 1 kg di fibra di carbonio richiede 2 kg di PAN, il che conferisce al PAN un tasso di conversione compreso tra il 50% e il 55% e un’impronta di gas serra relativamente ampia.

La maggior parte delle aziende di fibra di carbonio produce il proprio precursore utilizzando tecnologie interne. Le variabili includono il tipo di solvente, il tipo e la quantità di comonomeri e i gradi di restringimento e allungamento delle fibre nel processo di produzione. La ricetta di ogni azienda viene differenziata e mantenuta come segreto commerciale. Di conseguenza, gli utilizzatori della fibra di carbonio devono investire molto nella valutazione iniziale e nella caratterizzazione, rendendo costoso il cambio dei gradi. Nel complesso, la mancanza di standardizzazione e il monopolio da parte delle società scoraggia le gli utilizzatori dall’adottare fibra di carbonio e, se lo fanno, è molto difficile cambiare fornitore.

Le fibre di carbonio a base PAN hanno l’equilibrio ideale tra resistenza alla trazione e proprietà del modulo per molte applicazioni, il che è direttamente correlato ai difetti interni ed esterni e alla dimensione, struttura e orientamento del cristallo all’interno della fibra. Nonostante i problemi di resa, le fibre di carbonio a base di PAN hanno il metodo di produzione più efficiente rispetto ad altri precursori; l’energia richiesta, le sostanze chimiche aggiuntive e gli sprechi sono relativamente inferiori.

Produzione di fibra di carbonio

La produzione di fibre PAN è un metodo costoso e che consuma energia, ma migliore di altri precursori. Il processo per la produzione di fibre di carbonio è in parte chimico e in parte meccanico. La produzione di fibre di carbonio a base PAN avviene in tre fasi principali. Il primo passo è la filatura della soluzione polimerica PAN per creare fibre precursori PAN. La seconda fase è l’ossidazione delle fibre precursori PAN mediante trattamento termico (<300°C); questa è la fase più costosa e che più consuma energia. Il terzo e ultimo passaggio carbonizza le fibre (fino a 1.500 C), rimuovendo tutti gli atomi non di carbonio e creando il prodotto finale, ovvero la fibra di carbonio. Con tecniche di fabbricazione appropriate, è possibile produrre una combinazione di fibre ad alta resistenza meccanica e modulo alto o basso.

Design e utilizzo in composito della fibra di carbonio

Design per la riciclabilità: l’elaborazione di fine vita non è più “un di più” ma qualcosa di necessario per tutti i materiali. Un importante elemento di differenziazione per le aziende, da commercializzare e ottenere significative quote di mercato, verrà fornito dalle opzioni e dalle soluzioni di fine vita, implementate in anticipo prima dell’adozione. I prodotti realizzati in fibra di carbonio riciclata dimostrano nuove proposte di valore.

C’è stato un aumento nel numero di startup e tecnologie di riciclo di CFRP negli ultimi dieci anni e stanno iniziando a fare rapidi progressi. Tuttavia, la maggior parte delle tecnologie di riciclo si concentra sui rifiuti postindustriali. Il riciclo di CF deve anche crescere fino ai rifiuti post-consumo per la cattura completa del valore.

La maggior parte dell’r-CF viene utilizzata con polimeri termoindurenti; tuttavia, ci sono alcune aziende che utilizzano r-CF con materiali termoplastici per la stampa 3D di parti composite. Il problema è che l’r-CF prodotto è solitamente in forma tagliata, il che limita l’applicabilità delle fibre. Le startup stanno spingendo per migliorare i processi di riciclo dei compositi e la loro adozione, poiché è improbabile che le normative lo facciano ancora.

Prospettive

La formazione di un’economia circolare delle CF può consentire sostenibilità e innovazione nel settore. La sostenibilità è fondamentale per tutti i settori; tuttavia, di solito ha poco valore economico. L’alto valore delle CF rende attraente il riciclo. Recuperare con successo le CF consente alle aziende di riacquistare un certo valore e l’r-CF è più economica della CF vergine, il che consente ulteriori risparmi sui costi. Inoltre, il riciclo di CF è un processo “più semplice” e ad alta intensità di risorse ed energia rispetto alla produzione di fibre vergini, il che è un altro incentivo al risparmio dei costi. Inoltre, elimina la necessità di precursori e accorcia la catena di approvvigionamento. Poiché il riciclo evita il consumo di energia associato alla produzione di nuovi materiali, il recupero di materiali con un’elevata energia incorporata riduce l’energia e il costo complessivi riducendo al contempo l’impatto sull’ambiente. L’Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation stima che il recupero della fibra di carbonio richiede meno del 15% dell’energia utilizzata per produrre la fibra originale. Ciò rende il riciclo della CF attraente sia dal punto di vista economico che da quello della sostenibilità.

Tuttavia, l’r-CF recuperato è solitamente in forma tritata, utilizzabile solo per determinate applicazioni. Inoltre, r-CF ha una rigidità e una resistenza alla trazione inferiori al CF tritato vergine, il che limita anche le possibilità di applicazione. Mentre i produttori di r-CF affermano che le fibre riciclate hanno una perdita di proprietà molto ridotta e possono facilmente sostituire le fibre vergini, i produttori di parti composite non sono d’accordo con questa affermazione. L’adozione di r-CF è bassa, poiché sono necessari più studi di mercato e test sul ciclo di vita su come incorporarlo e utilizzarlo. r-CF non può essere un sostituto “drop-in” per la CF vergine, ma può essere utilizzato per nuove applicazioni nell’industria automobilistica per parti non strutturali, per applicazioni nelle costruzioni con fibre di acciaio e vetro e nel settore in crescita della stampa 3D invece di fibre vergini tritate. In definitiva, l’r-CF amplierà il valore del mercato, non cannibalizzerà le applicazioni esistenti per CFRP e spingerà l’adozione in generale.

La standardizzazione della fibra di carbonio

Standardizzazione e circolarità sono interconnesse e il loro effetto combinato farà crescere il mercato CFRP. La standardizzazione è la chiave per espandere il riciclo di CF in un sistema unificato. La standardizzazione, sebbene preziosa di per sé, porterà anche alla creazione di un r-CF più coerente, che sarà molto più semplice da utilizzare. Con più produttori di fibre standardizzate e più fornitori di r-CF, il mercato del CFRP si espanderà.

Le organizzazioni esistenti dovranno evolversi per stare al passo. Dai principali produttori di CF come Toray che cambiano i loro sistemi di determinazione dei prezzi ad aziende come Teijin che si spostano a valle verso i prodotti, i player esistenti dovranno continuare a rispondere a queste tendenze. Sebbene sia improbabile che le attività principali esistenti nel settore aerospaziale vengano sostituite, esiste il rischio reale di perdere la crescita fornita dalle nuove applicazioni.

Nuovi tipi di prodotti significano nuove proposte di valore e dinamiche di mercato. I gruppi hanno dimostrato proposte di valore significative in un ampio spettro di nuove applicazioni ai prezzi odierni, quindi c’è un chiaro impulso per l’utilizzo. Tuttavia, è sempre più chiaro che le relazioni in questi mercati saranno molto diverse dai tradizionali mercati di CFRP.

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