Informații materiale
Fibra de carbon este un fel de material din fibră de înaltă rezistență, modul înalt, moale și prelucrabil, cu proprietăți fizice și chimice excelente. Polimer/plastic ranforsat cu fibră de carbon, CFRP a fost utilizat pe scară largă în instalațiile energetice, aerospațiale, echipamente militare, tranzit feroviar și articole sportive. Cererea globală de fibră de carbon a atins 107,000 tone în 2020 și continuă să crească. „Raportul privind piața globală a compozitelor din fibră de carbon 2020” de la Guangzhou Saio a prezis că cererea globală de fibră de carbon se va reduce cu 200,000 tone în 2025.
Odată cu aplicarea tot mai mare a CFRP, sunt generate tot mai multe deșeuri în procesul de procesare, utilizare și deșeuri. De exemplu, tehnologia energiei eoliene a fost promovată rapid în ultimii ani, dar durata de viață a palelor este de numai 20-30 ani. Până în 2030, paletele aruncate ale energiei eoliene CFRP vor atinge zeci de mii de tone pe an. În sectorul aviației civile, aproape 8.500 de aeronave din întreaga lume vor fi retrase până în 2025, iar reciclarea deșeurilor CFRP din corpurile lor este o provocare. Odată cu îmbunătățirea gradului de conștientizare a oamenilor asupra mediului, legile și reglementările relevante de mediu privind eliminarea deșeurilor CFRP devin din ce în ce mai stricte. Cum să reciclați eficient fibra de carbon pentru reciclare a devenit o problemă fierbinte în prezent.
Rășina utilizată în prelucrarea CFRP este împărțită în rășină termoplastică și rășină termorezistabilă. Metoda de recuperare a compozitelor cu matrice de rășină termoplastică este simplă, dar vâscozitatea rășinii termoplastice în procesul de topire este ridicată, aderența rășinii pe suprafața fibrei este slabă, iar proprietatea de interfață a materialului compozit este slabă, ceea ce afectează performanța. a produselor. În prezent, matricea CFRP este o rășină în principal termorezistabilă, cum ar fi rășina nesaturată, rășina fenolică și rășina epoxidica. După întărire, rășina termorezistentă va forma o structură tridimensională reticulat, care poate îmbunătăți proprietățile fizice ale CFRP în comparație cu rășina termoplastică.
Tehnologia de recuperare CFRP
CFRP nu poate fi degradat în mod natural, incinerarea sau depozitul de deșeuri este metoda de tratare timpurie, dar incinerarea deșeurilor CFRP va produce un număr mare de gaze toxice și dăunătoare și va afecta mediul natural, în același timp, reziduurile de deșeuri din incinerarea depozitului de deșeuri vor provoca, de asemenea, sol poluare secundară; Tratarea deșeurilor CFRP la depozitul de deșeuri va polua solul și va ocupa un număr mare de resurse de teren. Această lucrare prezintă în principal aplicarea metodei de recuperare mecanică, a metodei de recuperare a căldurii și a metodei de recuperare a solvenților în recuperarea CFRP și expune provocările și perspectivele fiecărei metode în aplicarea practică.
(1) Metoda de recuperare mecanică. Metoda de recuperare mecanică este de a rula și măcina deșeurile CFRP sub acțiunea forței mecanice, astfel încât fibra de carbon să fie îndepărtată din matricea de rășină, particulele de rășină și fibrele de carbon scurte să poată fi obținute după tratament. Fibra tăiată la scară milimetrică poate fi utilizată ca material de umplutură pentru clădire, iar fibra tăiată la scară micron poate fi utilizată ca umplutură de amestec de plastic pentru turnare, bloc de plastic sau termoplastic. Metoda de recuperare mecanică are avantajele unui proces simplu și cost de investiție redus. Nu produce o poluare nouă a mediului în timp ce recuperează fibra și rășina. Cu toate acestea, forța mecanică provoacă deteriorarea fibrei în timpul procesului de separare a rășinii și fibrei, iar rata de retenție a performanței fibrei este scăzută.
(2) Metoda de recuperare a căldurii. În funcție de diferitele căi de proces, metoda de recuperare a căldurii poate fi împărțită în metoda de descompunere termică la temperatură înaltă, metoda de descompunere termică în pat fluidizat și metoda de descompunere termică cu microunde. Principiul este de a descompune rășina în compuși moleculari mici sub acțiunea energiei termice.
① Metoda de descompunere termică la temperatură înaltă. În primul rând, deșeurile CFRP sunt transformate în fragmente sub acțiunea forței mecanice. Fragmentele sunt încălzite la 600±200 de grade sub atmosfera de gaz inert, iar rășina este descompusă în ulei de piroliză cu moleculară joasă și gaz de piroliză în condițiile lipsei oxigenului. Gazul de piroliză este compus în principal din dioxid de carbon, hidrogen și metan. Apoi injectați o cantitate adecvată de oxigen în sistem, astfel încât arderea combustibilă cu moleculară scăzută, căldura generată de ardere continuă să furnizeze energie termică pentru sistem. Oxigenul din sistemul de intrare necesită un control cantitativ precis. Aportul excesiv de oxigen va crește riscul de explozie a sistemului. Între timp, va provoca, de asemenea, peroxidarea fibrei de carbon reciclate și va scădea proprietățile mecanice ale fibrei. Aportul de oxigen este prea scăzut, iar rășina reziduală și uleiul pirolitic de pe suprafața fibrei nu pot fi îndepărtate complet, ceea ce afectează finisajul fibrei. Temperatura pirolizei la temperatură înaltă depinde de tipul de rășină. În general, rășina poliesterică se poate descompune la o temperatură mai scăzută, în timp ce rășina epoxidică trebuie să se descompună la o temperatură mai ridicată. Datorită funcționării simple și a recuperării ridicate, metoda de descompunere termică la temperatură înaltă a fost aplicată în industrie. După tratarea descompunerii termice la temperatură înaltă, se poate obține suprafața netedă a fibrei scurte de carbon, dar după tratarea fibrei vor avea loc diferite grade de oxidare, iar suprafața fibrei ocazional depunerea de carbon, afectând proprietățile mecanice a fibrei.
② Metoda de descompunere termică în pat fluidizat. Procesul de recuperare CFRP prin descompunere termică în pat fluidizat este prezentat în Figura 1. Materialul compozit este importat din materialul rezidual și adăugat în patul fluidizat. Rășina din materialul compozit este descompusă la temperaturi ridicate în câmpul de curgere a aerului cald, iar gazul de piroliză descompus este continuat ca energie termică a sistemului prin ardere. După descompunerea termică, fibrele de carbon și particulele de rășină sunt recuperate în separatorul cu ciclon. Fluxul termic duce fibra recuperată în rezervorul de fibre, în timp ce materialul refractar este lăsat la fundul patului fluidizat. CFRP procesat prin piroliza în pat fluidizat are în general o dimensiune de 2 ~ 3 cm², care poate fi alimentat continuu în patul fluidizat pentru a obține o producție continuă, iar fibra de carbon scurtă poate fi obținută prin reciclare. Frecarea dintre peretele interior al separatorului ciclon și pietrișul legat de gaz din patul fluidizat și fibră va provoca unele daune mecanice, astfel încât rezistența la tracțiune a fibrei după acest tratament va fi redusă cu aproximativ 1/4.
③ Metoda de descompunere termică la microunde. CFRP a fost plasat într-un câmp de iradiere cu microunde, iar rășina a fost încălzită cu microunde pentru a se degrada în compuși moleculari mici. Metoda de descompunere termică cu microunde poate scurta în mod eficient timpul necesar pentru recuperarea fibrei de carbon, numărul de echipamente este relativ mic, iar operarea procesului este simplă.
(3) metoda de recuperare a solventului. Metoda de recuperare a solventului se referă la rășina din deșeurile CFRP în solvent care scade în substanțe solubile, prin degradarea și dizolvarea rășinii pentru a realiza separarea fibrelor și rășinii, a fibrei de carbon după spălare și a uscării pentru a recupera fibrele. Metodele de recuperare a solvenților sunt, în general, împărțite în metode obișnuite cu solvenți la presiune normală și metoda cu solvent supercritic la presiune înaltă.
① Metoda comună cu solvent. Metoda obișnuită a solventului folosește acid azotic și alcool ca solvent de reacție a rășinii de degradare la presiunea atmosferică, care este simplă în funcționare și costuri reduse de intrare a echipamentului. Fibra recuperată menține practic lungimea inițială a fibrei și poate fi folosită din nou ca fibră lungă în materiale compozite. Cu toate acestea, timpul de degradare a rășinii în solvent este mai lung, iar tratarea cu solvenți reziduali după utilizare este dificilă, ceea ce crește costul de recuperare și provoacă ușor poluarea mediului. În funcție de diferitele procese de formare ale materialului compozit, rășina utilizată este diferită, iar procesul utilizat este diferit.
② Metoda solventului supracritic. Când temperatura și presiunea unei substanțe depășesc o anumită temperatură și presiune critică, starea specială de compresibilitate ridicată, solubilitate ridicată, permeabilitate ridicată, difuzivitate ridicată, densitate scăzută și vâscozitate scăzută se numește "stare supercritică", iar solventul din acest starea se numește „solvent supercritic”. Deșeurile de rășină CFRP a fost degradată de un solvent supercritic cu solubilitate ridicată și permeabilitate ridicată a materialelor polimerice, iar scopul recuperării fibrei de carbon a fost realizat. Folosind această metodă de reciclare, suprafața fibrei este netedă, fibra menține lungimea inițială, performanța fibrei este ridicată, procesul de reciclare nu produce poluare nouă, protecția mediului verde. Cu toate acestea, aplicarea acestei metode necesită o investiție mare în echipamente și condiții dure de proces, iar ea se află încă temporar în stadiu de laborator și nu a fost transformată într-una industrială.
Aşteptare
Odată cu progresul tehnologiei de producție a fibrei de carbon, producția de fibre de carbon crește, în același timp, costul de producție este redus treptat, aplicarea sa în diverse domenii va continua să crească, iar recuperarea și reutilizarea CFRP au devenit o problemă proeminentă care limitează aplicarea extensivă a carbonului. fibră.
