Thị trường sợi UHMWPE, ứng dụng và sự phát triển công nghệ

1. Quy mô thị trường và khu vực tiêu thụ UHMWPE

2. Các nhà sản xuất UHMWPE lớn

3. Xu hướng phát triển và đề xuất cho ngành sợi UHMWPE

3.1 Phát triển thêm các quy trình sản xuất thân thiện với môi trường
Quy trình kéo sợi gel siêu giãn UHMWPE ướt hiện nay sử dụng một lượng lớn dung môi và chất chiết trong quá trình sản xuất. Cần 10-15 tấn dung môi để sản xuất 1 tấn sản phẩm và sau đó cần 30-45 tấn chất chiết để thay thế dung môi. Để cân nhắc về môi trường và chi phí, hệ thống tái chế dung môi và chất chiết cần được triển khai đồng thời để nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu và giảm lượng khí thải ô nhiễm. Theo số liệu công bố trong báo cáo đánh giá tác động môi trường của một số dự án sợi UHMWPE, lượng tiêu thụ thực tế chất chiết để sản xuất 1 tấn sản phẩm sợi UHMWPE là khoảng 0,031-0,264 tấn và lượng dầu trắng tiêu thụ khoảng 0,06-0,232 tấn. Ngược lại, quá trình khô không cần chất chiết và mức tiêu thụ dung môi decahydronaphthalene là khoảng 0,04-0,075 tấn. Dichloromethane và tetrachloroethylene, các chất chiết thường được sử dụng trong công nghệ xử lý ướt, đều là chất gây ô nhiễm độc hại, nguy hiểm và được kiểm soát chặt chẽ. Cả hai đều được liệt kê trong "Danh sách hóa chất được kiểm soát ưu tiên (Lô đầu tiên)", "Danh sách các chất ô nhiễm không khí độc hại và nguy hiểm (2018)" và "Danh sách các chất ô nhiễm nước độc hại và nguy hiểm (Lô đầu tiên)". Với các chính sách quản lý an toàn và môi trường ngày càng nghiêm ngặt ở nước ta, công nghệ xử lý ướt cần khẩn cấp tìm ra giải pháp thay thế cho chất chiết ít độc hại hơn, ít độc hại hơn hoặc thậm chí không độc hại. Trong hai năm qua, các nhà nghiên cứu đã đề xuất các chất chiết mới dựa trên chất lỏng ion để loại bỏ dầu trắng dung môi khỏi quá trình sản xuất sợi polyetylen có trọng lượng phân tử cực cao.



3.2 Phát triển các giống sợi UHMWPE biến tính
Mặc dù sợi UHMWPE thể hiện các đặc tính cơ học tuyệt vời nhưng chúng vẫn có những thiếu sót về khả năng chịu nhiệt, chống rão và chống oxy hóa. Hơn nữa, do năng lượng bề mặt thấp và thiếu các nhóm phân cực, sợi UHMWPE có đặc tính xử lý bề mặt kém, biểu hiện chủ yếu ở độ bám dính kém giữa sợi và nền nhựa, liên kết bề mặt không đủ và dễ bị đứt và bong ra khi chịu ứng suất, dẫn đến giảm tính chất cơ học của vật liệu composite. Do đó, các phương pháp xử lý sửa đổi cụ thể cho sợi UHMWPE có ý nghĩa rất lớn trong việc mở rộng hơn nữa phạm vi ứng dụng và thúc đẩy nâng cấp sản phẩm, đồng thời đã trở thành một trong những chủ đề nóng trong nghiên cứu ngành. Để điều chỉnh khả năng chịu nhiệt và chống rão, phương pháp phổ biến là trộn các hạt vô cơ hoặc chất liên kết vào nguyên liệu thô UHMWPE, giúp cải thiện cả khả năng chịu nhiệt và khả năng chống rão đồng thời tăng cường các tính chất cơ học của sợi. Để giải quyết độ bám dính bề mặt không đủ của sợi UHMWPE, các phương pháp sửa đổi phổ biến bao gồm sửa đổi plasma, xử lý oxy hóa, liên kết ngang bức xạ cực tím và liên kết ngang thuốc thử hóa học. Mục đích là để tạo ra các nhóm hoạt tính hoặc tăng độ nhám của bề mặt sợi.

3.2.1 Sợi UHMWPE được nhuộm bằng dung dịch
Do đặc tính tuyệt vời của chúng, sợi UHMWPE được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quan trọng như công nghệ quốc phòng, kỹ thuật quân sự, hàng không vũ trụ và bảo vệ y tế. Tuy nhiên, do chuỗi cao phân tử của sợi UHMWPE thiếu các nhóm chức năng ngoài liên kết cộng hóa trị carbon-hydro nên các phân tử thuốc nhuộm nói chung khó liên kết với chúng để nhuộm. Tính không phân cực và tính đều đặn của các phân tử của nó khiến các phân tử thuốc nhuộm khó xâm nhập, dẫn đến khó nhuộm sợi. Vì vậy, sản phẩm của hãng có lựa chọn màu sắc hạn chế, hạn chế phạm vi ứng dụng. Để giải quyết vấn đề khó nhuộm sợi hiệu suất cao, công nghệ nhuộm dung dịch, nhuộm chất mang, nhuộm dung môi không chứa nước và nhuộm biến đổi bề mặt sợi đã được đề xuất. Trong số này, sợi được nhuộm bằng dung dịch là sợi có màu thu được bằng cách thêm chất tạo màu vào dung dịch kéo sợi hoặc nấu chảy rồi kéo sợi; chúng còn được gọi là sợi không nhuộm hoặc sợi đã nhuộm trước khi kéo sợi. So với các kỹ thuật nhuộm truyền thống, công nghệ nhuộm dung dịch mang lại những ưu điểm như tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, độ bền màu cao, quy trình xử lý đơn giản và chi phí sản xuất thấp, khiến nó trở thành phương pháp nhuộm được sử dụng rộng rãi nhất cho sợi UHMWPE. Mặc dù một số công ty trong nước đã đạt được sản xuất sợi UHMWPE nhuộm dung dịch quy mô lớn nhưng họ vẫn gặp phải các vấn đề như giảm tính chất cơ học, sản xuất không ổn định và khó khăn trong việc phối màu. Do đó, sợi UHMWPE nhuộm dung dịch vẫn cần được nghiên cứu và phát triển chuyên sâu hơn nữa.

3.2.2 Khả năng chống rão của sợi UHMWPE
Sợi UHMWPE có khả năng chống rão kém; nghĩa là dưới một nhiệt độ nhất định và ngoại lực không đổi, độ biến dạng của sợi UHMWPE tăng dần theo thời gian. Do đặc điểm này, độ ổn định về kích thước và hình thái của sợi UHMWPE kém, ảnh hưởng lớn đến ứng dụng của chúng trong vật liệu composite, dây thừng và các lĩnh vực khác. Hiện nay, hiện tượng hư hỏng từ biến là vấn đề cấp bách cần giải quyết trong việc ứng dụng dây cáp quang UHMWPE.

Đặc tính rão của sợi UHMWPE có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc phân tử của chúng. Nói chung, đặc tính rão của sợi có liên quan đến kích thước của chuỗi cao phân tử, sự hiện diện của các nhóm cực trong đại phân tử và sự hiện diện của các tương tác cực giữa các phân tử. Do cấu trúc phân tử đơn giản của UHMWPE và không có liên kết hydro giữa các phân tử, cũng như thực tế là lực van der Waals chỉ là lực phân tán nên lực liên phân tử của nó tương đối yếu, khiến nó dễ bị trượt và rão giữa các phân tử.

Trong nghiên cứu về sợi UHMWPE chống rão, nhiều phương pháp khác nhau đã được khám phá để cải thiện hiệu suất của chúng, trong đó việc đưa ra các nhóm liên kết ngang được nghiên cứu rộng rãi nhất. Các nhà nghiên cứu đã liên kết ngang các sợi tổng hợp UHMWPE/CNTs bằng cách sử dụng bức xạ cực tím trên lò phản ứng quang hóa. Khi thời gian chiếu tia cực tím là 8 phút và phần khối lượng của dung dịch liên kết ngang là 20%, khả năng chống rão của nó tốt hơn, giảm 19,68% độ rão so với sợi không liên kết ngang. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã sử dụng benzoyl peroxide (BPO) và vinyltrimethoxysilane (VTMS) lần lượt làm chất khởi đầu và chất biến tính ghép trong quá trình chiết xuất sợi gel UHMWPE để thực hiện biến đổi liên kết ngang silane. Sợi UHMWPE biến tính được chuẩn bị cho thấy khả năng chống rão được cải thiện đáng kể. Điều này là do việc đưa vào các chất liên kết silane có thể tạo thành cấu trúc mạng liên kết ngang bên trong sợi, do đó hạn chế sự trượt giữa các chuỗi phân tử.

Các nghiên cứu liên quan khác đã giới thiệu một hoặc nhiều monome từ butadiene, styrene, methyl acrylate và triallyl isocyanurate để tạo ra các phản ứng tự trùng hợp hoặc liên kết ngang, tạo thành cấu trúc mạng polyme bán xen kẽ với chuỗi phân tử polyetylen. Điều này làm tăng mật độ vướng víu bên trong sợi polyetylen, giảm độ trượt của chuỗi phân tử polyetylen và do đó cải thiện khả năng chống rão của sợi UHMWPE.

3.2.3 Sợi UHMWPE chịu nhiệt độ cao
Hiện nay, các phương pháp chính để cải thiện đặc tính chống cháy của sợi UHMWPE bao gồm đồng trùng hợp, trộn và ghép. Ví dụ, một số nhà nghiên cứu đã bổ sung các hạt nano magie hydroxit biến tính bằng axit oleic vào UHMWPE, tạo ra sợi UHMWPE nanocompozit được sản xuất bằng phương pháp kéo sợi gel khô, cho thấy khả năng bắt cháy giảm và nhiệt độ phân hủy ban đầu tăng lên 30°C. Một số khác sử dụng các hạt carbon phủ magie hydroxit làm chất chống cháy, với tetrabutyl titanate và triphenyl photphit làm chất hoạt hóa, để điều chế sợi UHMWPE chống cháy thông qua phương pháp pad-baking, đạt chỉ số oxy giới hạn 23,8%, cao hơn 36% so với sợi UHMWPE nguyên chất. Hơn nữa, hệ thống bùn chống cháy nitơ-phốt pho được tạo ra bằng cách kết hợp melamine cyanurat với nhôm diethylphosphonate, và sợi polyetylen có trọng lượng phân tử cực cao (PE-UHMW) chống cháy không chứa halogen được sản xuất bằng phương pháp kéo sợi hỗn hợp, đạt được chỉ số oxy giới hạn là 27,5% và thể hiện tác dụng chống cháy nhất định. Tuy nhiên, với hàm lượng chất chống cháy ngày càng tăng, tính chất cơ học của sợi giảm ở một mức độ nào đó. Những nghiên cứu này chỉ ra rằng khả năng chịu nhiệt của sợi UHMWPE có thể được cải thiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, nhưng cần nghiên cứu thêm để khắc phục các hạn chế về hiệu suất khác.


3.2.4 Sợi UHMWPE cường độ cao
Hiện nay, độ bền kéo của các sản phẩm sợi UHMWPE cao cấp đạt trên 40 cN/dtex nhưng chỉ bằng khoảng 8% độ bền lý thuyết. Do đó, các nhà nghiên cứu đang tích cực khám phá các phương pháp biến đổi khác nhau để cải thiện tính chất cơ học của sợi. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sợi UHMWPE có phần khối lượng là ống nano carbon đa vách (MWNT) 5% có độ bền kéo là 4,3 GPa, cao hơn lần lượt là 18,8% và 15,4% so với sợi UHMWPE nguyên chất. Điều này chủ yếu là do ở tỷ lệ kéo dài cao, các MWNT sắp xếp dọc theo hướng kéo dài. Sự định hướng này gây ra sự truyền tải trọng bề mặt mạnh mẽ dưới cả biến dạng nhỏ và lớn, do đó cải thiện độ cứng và độ bền kéo của sợi composite. Hơn nữa, trong giai đoạn chiết xuất sợi gel, mô đun cơ học của sợi UHMWPE khi bổ sung 1% nano-silica (SiO2) đã tăng khoảng 10%, có lẽ là do các hạt nano-SiO2 hoạt động như các điểm liên kết ngang trong sợi. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng sợi UHMWPE được điều chế bằng cách sử dụng 20% ​​dầu ô liu làm dung môi hỗn hợp cho thấy khả năng gỡ rối chuỗi phân tử lớn hơn đáng kể và khả năng giữ trọng lượng phân tử cao hơn. So với sợi UHMWPE được điều chế chỉ sử dụng decahydronaphthalene, những sợi này cho thấy độ bền kéo tăng (33,85 cN/dtex) và mô đun kéo (1673,27 cN/dtex), tương ứng là mức tăng 24,0% và 32,3%. Hơn nữa, điểm nóng chảy, độ kết tinh và tính định hướng của sợi UHMWPE được cải thiện đáng kể.

3.3 Liên tục giảm mức tiêu thụ năng lượng của sản phẩm
Sản xuất sợi UHMWPE đòi hỏi nguồn năng lượng đáng kể như điện và hơi nước. Ngoài ra, máy móc, thiết bị có quy mô lớn nên chi phí khấu hao cao. Chi phí năng lượng và sản xuất có thể chiếm khoảng 50% tổng chi phí. Các nhà sản xuất hiện tại thể hiện sự khác biệt đáng kể về mức tiêu thụ điện và năng lượng đơn vị do sự khác biệt trong các quy trình và trình độ công nghệ cụ thể. Các dự án mới trong 3 năm qua có mức tiêu thụ điện từ 0,72 đến 3,6 triệu kWh/tấn sợi, tiêu thụ hơi nước từ 8 đến 24,6 tấn/tấn sợi và mức tiêu thụ năng lượng tổng thể từ 1,66 đến 5,66 tấn than tiêu chuẩn/tấn sợi.

Trong những năm gần đây, Trung Quốc đã tích cực và đều đặn thúc đẩy chiến lược “carbon kép”, liên tục tăng cường các biện pháp bảo tồn năng lượng và giảm thiểu carbon. Ngành công nghiệp này cũng liên tục cải tiến quy trình và công nghệ của mình. Giảm tiêu hao năng lượng và chi phí sản xuất là xu hướng phát triển lâu dài của công nghệ sản xuất sợi UHMWPE. Các công ty làm chủ được quy trình và thiết bị tiên tiến sẽ có lợi thế về chi phí hàng đầu trong cuộc cạnh tranh thị trường khốc liệt trong tương lai.