Informacije o materijalu
Ugljična vlakna su vrsta vlaknastog materijala visoke čvrstoće, visokog modula, mekog i obradivog materijala sa odličnim fizičkim i kemijskim svojstvima. Polimer/plastika ojačan karbonskim vlaknima, CFRP se široko koristi u energetskim objektima, vazduhoplovstvu, vojnoj opremi, željezničkom tranzitu i sportskoj robi. Globalna potražnja za karbonskim vlaknima dostigla je 107,000 tona u 2020. i nastavlja da raste. Guangzhou Saio je u "Globalnom izvještaju o tržištu karbonskih vlakana za 2020." predviđao da će globalna potražnja za karbonskim vlaknima premašiti 200,000 tona 2025. godine.
Sa sve većom primjenom CFRP-a, sve više otpada stvara se u procesu obrade, upotrebe i otpada. Na primjer, tehnologija vjetroelektrana je brzo promovirana posljednjih godina, ali vijek trajanja lopatica je samo 20-30 godina. Do 2030. godine, odbačene lopatice vjetroelektrane CFRP dostići će desetine hiljada tona godišnje. U sektoru civilnog vazduhoplovstva, skoro 8.500 aviona širom sveta biće penzionisano do 2025. godine, a recikliranje CFRP otpada iz njihovih tela predstavlja izazov. Sa poboljšanjem ekološke svijesti ljudi, relevantni ekološki zakoni i propisi o odlaganju CFRP otpada postaju sve strožiji. Kako efikasno reciklirati karbonska vlakna za reciklažu postalo je trenutno vruće pitanje.
Smola koja se koristi u preradi CFRP-a dijeli se na termoplastičnu smolu i termoreaktivnu smolu. Metoda oporavka kompozita sa termoplastičnom smolom je jednostavna, ali je viskoznost termoplastične smole u procesu topljenja visoka, prianjanje smole na površinu vlakana je slabo, a svojstva sučelja kompozitnog materijala su loša, što utječe na performanse. proizvoda. Trenutno je CFRP matrica uglavnom termoreaktivna smola, kao što su nezasićena smola, fenolna smola i epoksidna smola. Nakon stvrdnjavanja, termoreaktivna smola će formirati trodimenzionalnu mrežu umreženu strukturu, koja može poboljšati fizička svojstva CFRP-a u usporedbi s termoplastičnom smolom.
CFRP tehnologija oporavka
CFRP se ne može prirodno razgraditi, spaljivanje ili odlaganje otpada je rana metoda tretmana, ali spaljivanje CFRP otpada će proizvesti veliki broj toksičnih i štetnih plinova, te utjecati na prirodno okruženje, a u isto vrijeme, ostaci otpada od spaljivanja na deponijama također će uzrokovati tlo sekundarno zagađenje; Obrada CFRP otpada na deponijama će zagaditi tlo i zauzeti veliki broj zemljišnih resursa. Ovaj rad uglavnom uvodi primjenu metode mehaničkog oporavka, metode povrata topline i metode povrata otapala u povratu CFRP-a, te izlaže izazove i izglede svake metode u praktičnoj primjeni.
(1) Metoda mehaničkog oporavka. Metoda mehaničkog oporavka je valjanje i mljevenje CFRP otpada pod djelovanjem mehaničke sile tako da se karbonska vlakna uklanjaju iz matrice smole, nakon tretmana mogu se dobiti čestice smole i kratka karbonska vlakna. Vlakna izrezana u milimetarskoj skali mogu se koristiti kao građevinsko punilo, a mikronska rezana vlakna mogu se koristiti kao punilo za miješanje plastike za oblikovanje limova, plastike za oblikovanje blokova ili termoplasta. Metoda mehaničkog oporavka ima prednosti jednostavnog procesa i niskih troškova ulaganja. Ne proizvodi novo zagađenje okoliša dok obnavlja vlakna i smolu. Međutim, mehanička sila uzrokuje oštećenje vlakana tokom procesa odvajanja smole i vlakana, a stopa zadržavanja performansi vlakana je niska.
(2) Metoda povrata topline. Prema različitim putevima procesa, metoda povrata topline može se podijeliti na metodu termičke razgradnje pri visokim temperaturama, metodu termičke razgradnje u fluidiziranom sloju i metodu termičke razgradnje mikrovalovima. Princip je razlaganje smole na male molekularne spojeve pod dejstvom toplotne energije.
① Metoda termičke razgradnje na visokim temperaturama. Prvo, CFRP otpad se pretvara u fragmente pod dejstvom mehaničke sile. Fragmenti se zagrevaju na 600±200 stepeni u atmosferi inertnog gasa, a smola se razlaže na niskomolekularno pirolizno ulje i pirolizni gas bez kiseonika. Plin za pirolizu uglavnom se sastoji od ugljičnog dioksida, vodika i metana. Zatim ubrizgajte odgovarajuću količinu kiseonika u sistem, tako da niskomolekularno zapaljivo sagorevanje, toplota stvorena sagorevanjem nastavlja da obezbeđuje toplotnu energiju za sistem. Kiseonik u ulaznom sistemu zahteva preciznu kvantitativnu kontrolu. Prevelik unos kiseonika će povećati rizik od eksplozije sistema. U međuvremenu, to će također uzrokovati peroksidaciju recikliranih karbonskih vlakana i smanjiti mehanička svojstva vlakana. Unos kiseonika je prenizak, a zaostala smola i pirolitičko ulje na površini vlakana ne mogu se potpuno ukloniti, što utiče na završni sloj vlakana. Temperatura visokotemperaturne pirolize ovisi o vrsti smole. Općenito, poliesterska smola se može razgraditi na nižoj temperaturi, dok se epoksidna smola treba razgraditi na višoj temperaturi. Zbog jednostavnog rukovanja i visokog iskorištenja, metoda termičke razgradnje na visokim temperaturama je primijenjena u industriji. Nakon tretmana visokotemperaturnim termičkim razlaganjem može se dobiti glatka površina kratkog ugljičnog vlakna, ali nakon tretmana vlakna dolazi do različitih stupnjeva oksidacije, a na površini vlakna povremeno dolazi do taloženja ugljika, što utiče na mehanička svojstva. vlakana.
② Metoda termičke razgradnje u fluidiziranom sloju. Proces oporavka CFRP-a termičkom razgradnjom u fluidiziranom sloju prikazan je na slici 1. Kompozitni materijal se uvozi iz otpadnog materijala i dodaje u fluidizirani sloj. Smola u kompozitnom materijalu se razlaže na visokim temperaturama u polju strujanja vrućeg vazduha, a razloženi gas pirolize se nastavlja kao toplotna energija sistema kroz sagorevanje. Nakon termičke razgradnje, čestice karbonskih vlakana i smole se obnavljaju u ciklonskom separatoru. Toplotni tok odvodi obnovljeno vlakno u rezervoar za vlakna, dok se vatrostalni materijal ostavlja na dnu fluidiziranog sloja. CFRP obrađen pirolizom u fluidiziranom sloju je općenito veličine 2 ~ 3 cm², koji se može kontinuirano ubacivati u fluidizirani sloj kako bi se postigla kontinuirana proizvodnja, a kratka karbonska vlakna se mogu dobiti recikliranjem. Trenje između unutrašnje stijenke ciklonskog separatora i šljunka vezanog za plin u fluidiziranom sloju i vlakna će uzrokovati određena mehanička oštećenja, tako da će se vlačna čvrstoća vlakna nakon ovog tretmana smanjiti za oko 1/4.
③ Metoda termičke razgradnje u mikrotalasnoj pećnici. CFRP je stavljen u polje mikrovalnog zračenja, a smola je grijana mikrovalnom pećnicom da se razgradi u male molekularne spojeve. Metoda mikrovalne termičke razgradnje može efikasno skratiti vrijeme potrebno za oporavak karbonskih vlakana, broj opreme je relativno mali, a proces je jednostavan.
(3) metoda povrata rastvarača. Metoda oporavka otapala odnosi se na to da smola u CFRP otpadu u otapalu opada u topive tvari, kroz razgradnju i otapanje smole kako bi se postiglo odvajanje vlakana i smole, karbonskih vlakana nakon pranja i sušenja da bi se povratila vlakna. Metode povrata otapala općenito se dijele na obične metode otapala pod normalnim tlakom i superkritične metode otapala pod visokim tlakom.
① Uobičajena metoda rastvarača. Uobičajena metoda rastvarača koristi dušičnu kiselinu i alkohol kao reakcijsko otapalo degradacijske smole pod atmosferskim pritiskom, koja je jednostavna za rad i niska cijena opreme. Oporavljeno vlakno u osnovi zadržava originalnu dužinu vlakna i može se ponovo koristiti kao dugo vlakno u kompozitnim materijalima. Međutim, vrijeme razgradnje smole u rastvaraču je duže, a tretman otpadnog rastvarača nakon upotrebe je težak, što povećava troškove povrata i lako uzrokuje zagađenje okoliša. U skladu sa različitim procesima formiranja kompozitnog materijala, smola koja se koristi je različita, a proces koji se koristi je drugačiji.
② Metoda superkritičnog rastvarača. Kada temperatura i pritisak supstance pređu određenu kritičnu temperaturu i pritisak, posebno stanje visoke kompresibilnosti, visoke rastvorljivosti, visoke permeabilnosti, visoke difuzije, niske gustine i niske viskoznosti naziva se "superkritično stanje", a otapalo u ovom stanje se naziva "superkritični rastvarač". CFRP otpadna smola je razgrađena superkritičnim rastvaračem visoke topivosti i visoke permeabilnosti polimernih materijala, čime je ostvarena svrha povrata karbonskih vlakana. Koristeći ovu metodu recikliranja, površina vlakana je glatka, vlakno zadržava originalnu dužinu, performanse vlakana su visoke, proces recikliranja ne proizvodi novo zagađenje, zelena zaštita okoliša. Međutim, primjena ove metode zahtijeva velika ulaganja u opremu i oštre procesne uvjete, a još je privremeno u laboratorijskoj fazi i nije pretvorena u industrijsku.
Očekivanje
S napretkom tehnologije proizvodnje karbonskih vlakana, proizvodnja karbonskih vlakana raste u isto vrijeme kada se troškovi proizvodnje postupno smanjuju, njegova primjena u različitim poljima nastavit će rasti, a oporavak i ponovna upotreba CFRP-a postali su istaknuti problem koji ograničava ekstenzivnu primjenu ugljika. vlakna.
