Τεχνολογία ανακύκλωσης σύνθετων ινών άνθρακα: Οδηγώντας μια νέα εποχή ανακύκλωσης υλικών
Nov 05, 2024
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα (CFRP) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τις βιομηχανίες αιολικής ενέργειας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην κόπωση, υψηλή ειδική αντοχή και ειδικό μέτρο και καλή σχεδιαστική ικανότητα. Ωστόσο, μια μεγάλη ποσότητα αποβλήτων σύνθετων υλικών από θερμοσκληρυνόμενες ίνες άνθρακα όχι μόνο καταλαμβάνει βιομηχανική γη, αλλά και γύρη στο περιβάλλον, επομένως η τεχνολογία ανακύκλωσής της έχει γίνει ένα hotspot έρευνας στο εσωτερικό και στο εξωτερικό.
1.Τεχνολογία ανακύκλωσης σύνθετων υλικών από ίνες άνθρακα
Τα σύνθετα υλικά από ανθρακονήματα (CFRP) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και τις βιομηχανίες αιολικής ενέργειας λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους, όπως αντοχή στη διάβρωση, αντοχή στην κόπωση, υψηλή ειδική αντοχή και ειδικό μέτρο και καλή σχεδιαστική ικανότητα. Ωστόσο, μια μεγάλη ποσότητα αποβλήτων σύνθετων υλικών από θερμοσκληρυνόμενες ίνες άνθρακα όχι μόνο καταλαμβάνει βιομηχανική γη, αλλά και γύρη στο περιβάλλον, επομένως η τεχνολογία ανακύκλωσής της έχει γίνει ένα hotspot έρευνας στο εσωτερικό και στο εξωτερικό.
Η τεχνολογία ανάκτησης του CFRP χωρίζεται κυρίως σε μηχανική ανάκτηση, ανάκτηση πυρόλυσης, χημική ανάκτηση και ορισμένους άλλους τύπους μεθόδων ανάκτησης. Η ανάπτυξη και τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας ανακύκλωσης CFRP φαίνονται στο Σχήμα 1.
2.CF Νέα πολιτική αποκατάστασης
Εκτός από τα απόβλητα CFRP, ένας άλλος κοινός τύπος αποβλήτων είναι οι ξηρές ίνες που παράγονται στο στάδιο της κατασκευής. Αυτές οι απόβλητες ίνες προέρχονται κυρίως από αποκόμματα, άκρα μπομπίνας και μερικές άκρες διανομής. Υπολογίζεται ότι οι ξηρές ίνες αντιπροσωπεύουν περίπου το 40% των συνολικών αποβλήτων CF. Δεδομένου ότι δεν είναι ακόμη ενσωματωμένες σε καμία πολυμερή μήτρα, οι ξηρές ίνες εμφανίζουν τις ίδιες ιδιότητες με το vCF. Δεδομένης της παραγωγής αυτής της μεγάλης ποσότητας πολύτιμων απορριμμάτων, οι ερευνητές εργάζονται ενεργά για να αναπτύξουν νέες στρατηγικές ανακύκλωσης, συμπεριλαμβανομένης, ενδεικτικά, της περιδίνησης CF σε νήμα, της κατασκευής μη υφασμένων υφασμάτων και της χρήσης ενός μείγματος ανακυκλωμένου CF και φυσικής CF για την παραγωγή μη -υφάσματα πτύχωσης-prepreg.
1) Μικτά νήματα με βάση rCF
Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες πλαισίου, το υλικό θερμάνθηκε στους 280 βαθμούς C και κρατήθηκε για 30 λεπτά για να προετοιμαστεί επιτυχώς το απαιτούμενο σύνθετο υλικό. Μελέτες έχουν δείξει ότι το βήμα ανάμιξης αέρα στη διαδικασία ανάμειξης βελτιώνει αποτελεσματικά την ομοιομορφία της λωρίδας και του νήματος. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία ανάμειξης προκαλεί επίσης πιο σημαντική ζημιά στις ίνες άνθρακα (CF), καθώς το συνολικό μήκος της CF στο νήμα μειώνεται. Μια σε βάθος ανάλυση των μηχανικών ιδιοτήτων του νήματος αποκάλυψε ότι τα νήματα χωρίς ανάμειξη αέρα παρουσίασαν υψηλότερη σκληρότητα, κυρίως λόγω της μείωσης του αριθμού των σπασμένων ινών και της διατήρησης του συνολικού μήκους της ίνας κατά την προετοιμασία. Περαιτέρω έρευνα δείχνει ότι το αρχικό μήκος της ίνας έχει αρνητική επίδραση στις ιδιότητες του νήματος, καθώς σχετίζεται άμεσα με το τελικό μήκος της ίνας μετά την επεξεργασία στη δομή του νήματος. Συγκεκριμένα, τα νήματα που παρασκευάζονται με 80 mm CF παρουσιάζουν το μεγαλύτερο μέσο μήκος ινών, δίνοντάς τους ανώτερη σκληρότητα. Ομοίως, το σύνθετο μονόδρομο (UD) κατασκευασμένο από 80 mm CF και PA6 έχει αντοχή εφελκυσμού έως και 800 mpa, που είναι η καλύτερη απόδοση στην κατηγορία των παρασκευασμένων νημάτων.
Οι Hengstermann et al. διερεύνησε σε βάθος τις επιπτώσεις του αρχικού μήκους των ινών και της αναλογίας ανάμειξης στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του νήματος μετά το λανάρισμα. Προσαρμόζοντας τις παραμέτρους της μηχανής λαναρίσματος, συμπεριλαμβανομένης της απόστασης μεταξύ των κυλίνδρων λαναρίσματος και του μεγέθους της βελόνας, ανέμιξαν χειροκίνητα ίνες CF και PA6 σε δύο μήκη 40 mm και 60 mm σύμφωνα με την αναλογία όγκου 30%, 50% και 70 %. Μετά το λανάρισμα, το πλέγμα ινών CF/PA6 υποβάλλεται στη συνέχεια σε μια διαδικασία όπως ο συνδυασμός και η κλώση με έναν ιπτάμενο στρόβιλο για να παραχθεί τελικά ένα μικτό νήμα. Κατά τη διαδικασία επεξεργασίας, είναι επίσης απαραίτητο να προσαρμόσετε με ακρίβεια τις παραμέτρους τραβήγματος και στυψίματος, όπως ο ρυθμός τροφοδοσίας, η αναλογία βύθισης, το υλικό του κυλίνδρου και ο αριθμός συστροφής, για να μειωθεί η πιθανή ζημιά στο CF. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τόσο το αρχικό μήκος ινών όσο και η περιεκτικότητα σε CF έχουν σημαντικές επιπτώσεις στα τελικά χαρακτηριστικά του διχτυού λαναρίσματος, της λωρίδας και του νήματος. Τα νήματα που κατασκευάζονται με μακρύτερο CF παρουσιάζουν καλύτερη ευθυγράμμιση, χαμηλότερη τριχοφυΐα, μεγαλύτερη σκληρότητα και μικρότερη επιμήκυνση από τα νήματα που κατασκευάζονται με 40 mm CF.
Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι οι μακρύτερες ίνες ευθυγραμμίζονται πιο εύκολα κατά το λανάρισμα και ο βαθμός ζημιάς και απώλειας είναι χαμηλότερος. Επιπλέον, η παρουσία μακρύτερου CF στο νήμα και η αύξηση του όγκου PA6 προάγουν τη συνοχή μεταξύ των ινών και βελτιώνουν την ποιότητα της κλώσης της λωρίδας. Βρέθηκε επίσης ότι ο προσανατολισμός του CF στο νήμα, το μήκος του CF και η συστροφή του νήματος έχουν θετικά αποτελέσματα στην τελική αντοχή εφελκυσμού του σύνθετου υλικού UD. Γενικά, το μήκος της ίνας και η συστροφή του νήματος δείχνουν αντίστροφη σχέση με τη συνολική αντοχή του σύνθετου υλικού, κυρίως λόγω της επιρροής τους στην τελική περιεκτικότητα σε CF και στο μήκος του σύνθετου υλικού, καθώς και στη ρύθμιση της διείσδυσης του πολυμερούς κατά τη θερμή πίεση.
Εικόνα 2: Διαδικασία λαναρίσματος για την παρασκευή μίγματος rCF/PA6
Για να μειωθεί περαιτέρω η ζημιά στις ίνες άνθρακα (CF) κατά το στύψιμο, οι Xiao et al. αναφέρετε την ανάπτυξη ενός φύλλου μανδαλωμένου πλέγματος ενισχυμένου με ίνες άνθρακα (CWT) που μπορεί να εφαρμοστεί απευθείας στη διαδικασία Mosaic. Η στρατηγική περιλαμβάνει ανάμειξη αποβλήτων CF μήκους 60 mm με ίνα πολυαμιδίου (PA) με δομή πυρήνα-κέλυφος, όπου το κέλυφος αποτελείται από ένα συμπολυμερές πολυαμιδίου 6 (PA6) - πολυαιθυλενίου (σημείο τήξης 136 βαθμοί C) και το υλικό πυρήνα είναι πολυαμίδιο 66 (ΡΑ66). Στη διαδικασία ανάμιξης, το μείγμα ινών CF και PA αναλογεί με το κλάσμα όγκου CF 20%, 30% και 40% και στη συνέχεια χτενίζεται για να σχηματιστεί ένα δίκτυο χτενίσματος. Στους 110 βαθμούς C, το πλέγμα λαναρίσματος σταθεροποιείται με διεργασίες τραβήγματος και λειάνσεως, κατά τις οποίες το εξωτερικό στρώμα της ίνας PA της μήτρας τήκεται για να σχηματίσει μια ορισμένη συγκολλητική δομή στο πλέγμα ινών και τελικά παράγεται το φύλλο CWT. Συγκεκριμένα, η διαδικασία τεντώματος (30-60%) έπαιξε βασικό ρόλο στην καλύτερη ευθυγράμμιση της κοντής ίνας CF στο φύλλο CW-T. Υπό τις συνθήκες πίεσης 280 μοιρών και 5-9 MPa, το αναπτυγμένο φύλλο χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση πάνελ με τη μέθοδο διαμόρφωσης συμπίεσης. Ο συντελεστής εφελκυσμού του συμπιεσμένου φύλλου είναι τόσο υψηλός όσο 45,6 GPa. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε CF στο CWT βελτιώνει την αντοχή εφελκυσμού και το επίπεδο συντελεστή, και η αύξηση του λόγου εφελκυσμού βοηθά επίσης στη βελτίωση της αντοχής εφελκυσμού του κύριου διαμήκους.
2) Μη υφασμένα και προεμποτισμένα με βάση RCF
Ένας άλλος αποτελεσματικός τρόπος ανακύκλωσης απορριμμάτων ανθρακονημάτων είναι η εφαρμογή τους στην παραγωγή διχτυών από μη υφαντό ύφασμα, γεγονός που δείχνει τις μεγάλες δυνατότητες ανακύκλωσης απορριμμάτων ανθρακονημάτων σε προϊόντα υψηλής προστιθέμενης αξίας. Η EGL Carbon Fiber στο Ηνωμένο Βασίλειο έχει βιομηχανοποιήσει και βελτιστοποιήσει με επιτυχία την παραγωγή μη υφασμένης τσόχας rCF με ετήσια δυναμικότητα 250 τόνων για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών στην αυτοκινητοβιομηχανία.
3.Συμπέρασμα και Μελλοντική Προοπτική
Σε αυτό το άρθρο, εξετάζονται οι μέθοδοι ανακύκλωσης σύνθετων ινών ενισχυμένων με ανθρακονήματα (CFRC) και συζητούνται σε βάθος οι στρατηγικές επεξεργασίας των αποβλήτων από ανθρακονήματα που παράγονται κατά τη διάρκεια της ξηρής κατασκευής. Σε αυτή τη βάση, η τεχνολογία πυρόλυσης και μηχανικής κατεργασίας έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω της δυνατότητας βιομηχανικής εφαρμογής της. Ωστόσο, η τρέχουσα έρευνα εξακολουθεί να είναι αφοσιωμένη στη βελτίωση της απόδοσης των ανακυκλωμένων ινών και προσπαθεί να έχει ιδιότητες που μπορούν να είναι απείρως κοντά στις αρχικές ίνες άνθρακα.
Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στις ακόλουθες πτυχές: Πρώτον, να διερευνήσει μια νέα μέθοδο χρήσης ανακυκλωμένων ινών για την παραγωγή σύνθετων υλικών. Το δεύτερο είναι η βελτιστοποίηση της αλληλεπίδρασης διεπαφής μεταξύ ίνας και μήτρας. Το τρίτο είναι η συνεχής βελτίωση της διαδικασίας ανακύκλωσης. Επιπλέον, η ανάπτυξη προϊόντων προστιθέμενης αξίας, όπως τα μη υφαντά και τα νήματα με ανακυκλωμένες ίνες ως πρώτες ύλες, αποτελεί επίσης βασική κατεύθυνση στο μέλλον. Για την επεξεργασία αποβλήτων ξηρών ινών άνθρακα, η ανάπτυξη μικτών νημάτων και μη υφασμένων ειδών παρουσιάζει καλές προοπτικές, αλλά η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των προϊόντων εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πρόκληση.
Συνοπτικά, ο τομέας της ανακύκλωσης προϊόντων με βάση τις ίνες άνθρακα βρίσκεται σε στάδιο ταχείας ανάπτυξης και θα διαδραματίσει βασικό ρόλο στην προώθηση της καθιέρωσης μιας προσέγγισης υψηλής τεχνολογίας κυκλικής οικονομίας ινών. Ως εκ τούτου, απαιτείται περισσότερη έρευνα στο μέλλον για τη βελτίωση της ποιότητας των ινών και τη μείωση των αρνητικών περιβαλλοντικών επιπτώσεων της διαδικασίας ανακύκλωσης
Amy2289@jiutaimould.com
Τηλέφωνο/Whatsapp
+8613506862289
Φαξ
+86-576-84217327
Διεύθυνση
No.23, Huiming road, North Industrial Zone, Huangyan, Taizhou, Zhejiang, Κίνα