Informacje o materiałach
Włókno węglowe to rodzaj miękkiego i obrabialnego materiału włóknistego o wysokiej wytrzymałości, wysokim module sprężystości i doskonałych właściwościach fizycznych i chemicznych. Polimer/plastik wzmocniony włóknem węglowym, CFRP jest szeroko stosowany w obiektach energetycznych, lotnictwie, sprzęcie wojskowym, transporcie kolejowym i artykułach sportowych. Globalny popyt na włókno węglowe osiągnął w 2020 roku 107,{3}} ton i nadal rośnie. W raporcie Guangzhou Saio „Globalny rynek kompozytów z włókna węglowego 2020” przewidziano, że światowy popyt na włókna węglowe przekroczy 200,{7}} ton w 2025 r.
Wraz ze wzrostem zastosowania CFRP, w procesie przetwarzania, użytkowania i powstawania odpadów powstaje coraz więcej odpadów. Na przykład w ostatnich latach bardzo szybko promowano technologię energii wiatrowej, ale żywotność łopat to zaledwie 20-30 lat. Do 2030 r. wyrzucone łopaty energii wiatrowej CFRP osiągną dziesiątki tysięcy ton rocznie. W sektorze lotnictwa cywilnego prawie 8500 samolotów na całym świecie zostanie wycofanych do 2025 r., a recykling odpadów CFK z ich kadłubów stanowi wyzwanie. Wraz z poprawą świadomości ekologicznej ludzi, odpowiednie przepisy środowiskowe i przepisy dotyczące utylizacji odpadów CFRP stają się coraz bardziej rygorystyczne. Jak wydajnie przetwarzać włókno węglowe do recyklingu, stało się obecnie gorącym tematem.
Żywica stosowana w obróbce CFRP dzieli się na żywicę termoplastyczną i żywicę termoutwardzalną. Metoda odzyskiwania kompozytów z matrycą z żywicy termoplastycznej jest prosta, ale lepkość żywicy termoplastycznej w procesie topienia jest wysoka, przyczepność żywicy do powierzchni włókna jest słaba, a właściwość interfejsu materiału kompozytowego jest słaba, co wpływa na wydajność produktów. Obecnie matryca CFRP jest głównie żywicą termoutwardzalną, taką jak żywica nienasycona, żywica fenolowa i żywica epoksydowa. Po utwardzeniu żywica termoutwardzalna utworzy trójwymiarową usieciowaną strukturę, która może poprawić właściwości fizyczne CFRP w porównaniu z żywicą termoplastyczną.
Technologia odzyskiwania CFRP
CFRP nie może ulec naturalnej degradacji, spalanie lub składowanie jest wczesną metodą przetwarzania, ale spalanie odpadów CFRP spowoduje wytworzenie dużej liczby toksycznych i szkodliwych gazów i wpłynie na środowisko naturalne, a jednocześnie pozostałości po spalaniu na wysypiskach również spowodują glebę zanieczyszczenie wtórne; Przetwarzanie odpadów CFRP na składowiskach spowoduje zanieczyszczenie gleby i zajęcie dużej części zasobów gruntów. Ten artykuł przedstawia głównie zastosowanie metody odzyskiwania mechanicznego, metody odzyskiwania ciepła i metody odzyskiwania rozpuszczalnika w odzyskiwaniu CFRP oraz wyjaśnia wyzwania i perspektywy każdej metody w praktycznym zastosowaniu.
(1) Mechaniczna metoda odzyskiwania. Mechaniczna metoda odzyskiwania polega na walcowaniu i mieleniu odpadów CFRP pod działaniem siły mechanicznej, tak aby włókno węglowe zostało usunięte z matrycy żywicy, po obróbce można było otrzymać cząstki żywicy i krótkie włókno węglowe. Włókno cięte w skali milimetrowej może być używane jako wypełniacz budowlany, a włókno cięte w skali mikronowej może być używane jako wypełniacz mieszanki z tworzywa sztucznego do formowania arkuszy, tworzywa sztucznego do formowania bloków lub tworzywa termoplastycznego. Mechaniczna metoda odzyskiwania ma zalety prostego procesu i niskich kosztów inwestycyjnych. Nie powoduje nowego zanieczyszczenia środowiska podczas odzyskiwania włókna i żywicy. Jednak siła mechaniczna powoduje uszkodzenie włókna podczas procesu oddzielania żywicy i włókna, a wskaźnik zachowania wydajności włókna jest niski.
(2) Metoda odzyskiwania ciepła. Zgodnie z różnymi drogami procesu, metodę odzyskiwania ciepła można podzielić na metodę wysokotemperaturowego rozkładu termicznego, metodę rozkładu termicznego w złożu fluidalnym i metodę mikrofalowego rozkładu termicznego. Zasada polega na rozkładzie żywicy na związki małocząsteczkowe pod działaniem energii cieplnej.
① Metoda rozkładu termicznego w wysokiej temperaturze. Po pierwsze, odpady CFRP są rozdrabniane na fragmenty pod działaniem siły mechanicznej. Fragmenty są podgrzewane do 600 ± 200 stopni w atmosferze gazu obojętnego, a żywica jest rozkładana na niskocząsteczkowy olej pirolityczny i gaz pirolityczny pod warunkiem braku tlenu. Gaz pirolityczny składa się głównie z dwutlenku węgla, wodoru i metanu. Następnie wstrzyknij odpowiednią ilość tlenu do układu, aby spalanie o niskiej masie cząsteczkowej, wytwarzane przez spalanie ciepło, nadal dostarczało energię cieplną do układu. Tlen w doprowadzanym systemie wymaga dokładnej kontroli ilościowej. Nadmierne spożycie tlenu zwiększy ryzyko wybuchu systemu. Tymczasem spowoduje to również peroksydację przetworzonego włókna węglowego i zmniejszy właściwości mechaniczne włókna. Pobór tlenu jest zbyt niski, a resztki żywicy i oleju pirolitycznego na powierzchni włókna nie mogą zostać całkowicie usunięte, co wpływa na wykończenie włókna. Temperatura pirolizy wysokotemperaturowej zależy od rodzaju żywicy. Ogólnie rzecz biorąc, żywica poliestrowa może rozkładać się w niższej temperaturze, podczas gdy żywica epoksydowa musi rozkładać się w wyższej temperaturze. Ze względu na prostotę obsługi i wysoki odzysk metoda wysokotemperaturowego rozkładu termicznego znalazła zastosowanie w przemyśle. Po obróbce rozkładu termicznego w wysokiej temperaturze można uzyskać gładką powierzchnię krótkiego włókna węglowego, ale po obróbce włókna wystąpią różne stopnie utlenienia, a powierzchnia włókna od czasu do czasu osadza się węgiel, wpływając na właściwości mechaniczne włókna.
② Metoda rozkładu termicznego złoża fluidalnego. Proces odzyskiwania CFRP przez rozkład termiczny w złożu fluidalnym przedstawiono na rysunku 1. Materiał kompozytowy jest importowany z materiału odpadowego i dodawany do złoża fluidalnego. Żywica w materiale kompozytowym ulega rozkładowi w wysokich temperaturach w polu przepływu gorącego powietrza, a rozłożony gaz pirolityczny jest kontynuowany jako energia cieplna układu poprzez spalanie. Po rozkładzie termicznym cząsteczki włókna węglowego i żywicy są odzyskiwane w separatorze cyklonowym. Przepływ termiczny przenosi odzyskane włókno do zbiornika włókna, podczas gdy materiał ogniotrwały pozostaje na dnie złoża fluidalnego. CFRP przetwarzany przez pirolizę w złożu fluidalnym ma na ogół rozmiar 2 ~ 3 cm², który można w sposób ciągły podawać do złoża fluidalnego w celu uzyskania ciągłej produkcji, a krótkie włókno węglowe można uzyskać poprzez recykling. Tarcie między wewnętrzną ścianą separatora cyklonowego a żwirem związanym gazem w złożu fluidalnym i włóknem spowoduje pewne uszkodzenia mechaniczne, więc wytrzymałość włókna na rozciąganie po tej obróbce zmniejszy się o około 1/4.
③ Metoda rozkładu termicznego w kuchence mikrofalowej. CFRP umieszczono w polu promieniowania mikrofalowego, a żywicę ogrzewano mikrofalami w celu rozkładu na związki o małej masie cząsteczkowej. Metoda mikrofalowego rozkładu termicznego może skutecznie skrócić czas potrzebny do odzyskania włókna węglowego, liczba urządzeń jest stosunkowo niewielka, a operacja procesu jest prosta.
(3) metoda odzyskiwania rozpuszczalnika. Metoda odzyskiwania rozpuszczalnika odnosi się do rozkładu żywicy w odpadach CFRP w rozpuszczalniku na substancje rozpuszczalne, poprzez degradację i rozpuszczanie żywicy w celu oddzielenia włókna i żywicy, włókna węglowego po umyciu i wysuszeniu w celu odzyskania włókna. Metody odzyskiwania rozpuszczalników są ogólnie podzielone na zwykłe metody rozpuszczalników pod normalnym ciśnieniem i metody rozpuszczalników nadkrytycznych pod wysokim ciśnieniem.
① Wspólna metoda rozpuszczalnika. Powszechna metoda rozpuszczalnika wykorzystuje kwas azotowy i alkohol jako rozpuszczalnik reakcji degradacji żywicy pod ciśnieniem atmosferycznym, która jest prosta w obsłudze i ma niski koszt sprzętu. Odzyskane włókno zasadniczo zachowuje pierwotną długość włókna i może być ponownie użyte jako długie włókno w materiałach kompozytowych. Jednak czas degradacji żywicy w rozpuszczalniku jest dłuższy, a obróbka odpadowego rozpuszczalnika po użyciu jest trudna, co zwiększa koszty odzyskiwania i łatwo powoduje zanieczyszczenie środowiska. Zgodnie z różnymi procesami formowania materiału kompozytowego, stosowana żywica jest inna, a zastosowany proces jest inny.
② Metoda rozpuszczalnika nadkrytycznego. Kiedy temperatura i ciśnienie substancji przekraczają pewną krytyczną temperaturę i ciśnienie, specjalny stan wysokiej ściśliwości, wysokiej rozpuszczalności, wysokiej przepuszczalności, wysokiej dyfuzyjności, niskiej gęstości i niskiej lepkości nazywany jest „stanem nadkrytycznym”, a rozpuszczalnik w tym stan nazywa się „rozpuszczalnikiem nadkrytycznym”. Odpadowa żywica CFRP została zdegradowana nadkrytycznym rozpuszczalnikiem o wysokiej rozpuszczalności i wysokiej przepuszczalności materiałów polimerowych, a cel odzysku włókien węglowych został zrealizowany. Dzięki tej metodzie recyklingu powierzchnia włókna jest gładka, włókno zachowuje pierwotną długość, wydajność włókna jest wysoka, proces recyklingu nie powoduje nowych zanieczyszczeń, ekologiczna ochrona środowiska. Zastosowanie tej metody wymaga jednak dużych nakładów sprzętowych i surowych warunków procesu, a chwilowo znajduje się ona jeszcze w fazie laboratoryjnej i nie została przekształcona w przemysłową.
Oczekiwanie
Wraz z postępem technologii produkcji włókien węglowych produkcja włókien węglowych wzrasta, jednocześnie koszt produkcji jest stopniowo zmniejszany, jego zastosowanie w różnych dziedzinach będzie nadal rosło, a odzyskiwanie i ponowne wykorzystanie CFRP stało się znaczącym problemem ograniczającym szerokie zastosowanie węgla błonnik.
