Materiaalitiedot
Hiilikuitu on eräänlainen luja, korkeamoduuli, pehmeä ja työstettävä kuitumateriaali, jolla on erinomaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet. Hiilikuituvahvisteista polymeeriä/muovia, CFRP:tä on käytetty laajalti energialaitoksissa, ilmailualalla, sotilasvälineissä, rautatieliikenteessä ja urheiluvälineissä. Hiilikuidun maailmanlaajuinen kysyntä saavutti 107,000 tonnia vuonna 2020 ja jatkaa kasvuaan. Guangzhou Saion "2020 Global Carbon Fiber Composites Market Report" ennusti, että maailmanlaajuinen hiilikuidun kysyntä putoaa 200,000 tonniin vuonna 2025.
CFRP:n käytön lisääntyessä käsittelyssä, käytössä ja jätteissä syntyy yhä enemmän jätettä. Esimerkiksi tuulivoimateknologiaa on edistetty nopeasti viime vuosina, mutta siipien käyttöikä on vain 20-30 vuotta. Vuoteen 2030 mennessä CFRP-tuulivoiman käytöstä poistetut siivet saavuttavat kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa. Siviili-ilmailun alalla lähes 8 500 lentokonetta eri puolilla maailmaa jää eläkkeelle vuoteen 2025 mennessä, ja niiden ruumiista tulevan CFRP-jätteen kierrätys on haaste. Ihmisten ympäristötietoisuuden paranemisen myötä CFRP-jätteiden hävittämistä koskevat ympäristölait ja -määräykset ovat yhä tiukempia. Hiilikuidun tehokkaasta kierrätyksestä kierrätykseen on tullut tällä hetkellä kuuma kysymys.
CFRP:n käsittelyssä käytettävä hartsi jaetaan kestomuovihartsiin ja lämpökovettuvaan hartsiin. Termoplastisten hartsimatriisikomposiittien talteenottomenetelmä on yksinkertainen, mutta kestomuovihartsin viskositeetti sulamisprosessissa on korkea, hartsin tarttuvuus kuidun pinnalle on huono ja komposiittimateriaalin rajapintaominaisuus on huono, mikä vaikuttaa suorituskykyyn. tuotteista. Tällä hetkellä CFRP-matriisi on pääasiassa lämpökovettuva hartsi, kuten tyydyttymätön hartsi, fenolihartsi ja epoksihartsi. Kovettumisen jälkeen lämpökovettuva hartsi muodostaa kolmiulotteisen verkkoon silloitetun rakenteen, joka voi parantaa CFRP:n fysikaalisia ominaisuuksia verrattuna kestomuovihartsiin.
CFRP-palautustekniikka
CFRP:tä ei voida hajottaa luonnollisesti, poltto tai kaatopaikka on varhainen käsittelymenetelmä, mutta CFRP-jätteen poltto tuottaa suuren määrän myrkyllisiä ja haitallisia kaasuja ja vaikuttaa luonnonympäristöön, samalla kun kaatopaikan polttojätteet aiheuttavat myös maaperää. toissijainen saastuminen; CFRP-jätteen kaatopaikkakäsittely saastuttaa maaperän ja vie suuren määrän maavaroja. Tässä artikkelissa esitellään pääasiassa mekaanisen talteenottomenetelmän, lämmön talteenottomenetelmän ja liuottimen talteenottomenetelmän soveltamista CFRP:n talteenotossa sekä selvitetään kunkin menetelmän haasteita ja näkymiä käytännön sovelluksissa.
(1) Mekaaninen talteenottomenetelmä. Mekaaninen talteenottomenetelmä on valssata ja jauhaa CFRP-jäte mekaanisen voiman vaikutuksesta siten, että hiilikuitu irtoaa hartsimatriisista, hartsihiukkasia ja lyhyttä hiilikuitua voidaan saada käsittelyn jälkeen. Millimetrimittakaavassa leikattua kuitua voidaan käyttää rakennustäyteaineena ja mikronimittakaavassa leikattua kuitua voidaan käyttää levymuovausmuovin, lohkomuovausmuovin tai kestomuovin sekoitustäytteenä. Mekaanisen talteenottomenetelmän etuna on yksinkertainen prosessi ja alhaiset investointikustannukset. Se ei tuota uutta ympäristösaastetta, kun se ottaa talteen kuidun ja hartsin. Mekaaninen voima kuitenkin vahingoittaa kuitua hartsin ja kuidun erotusprosessin aikana, ja kuidun suorituskyvyn säilyvyysaste on alhainen.
(2) Lämmön talteenottomenetelmä. Eri prosessireittien mukaan lämmön talteenottomenetelmä voidaan jakaa korkean lämpötilan lämpöhajoamismenetelmään, leijukerroslämpöhajoamismenetelmään ja mikroaaltolämpöhajoamismenetelmään. Periaate on hajottaa hartsi pieniksi molekyyliyhdisteiksi lämpöenergian vaikutuksesta.
① Korkean lämpötilan lämpöhajoamismenetelmä. Ensinnäkin CFRP-jätteestä tehdään palasia mekaanisen voiman vaikutuksesta. Fragmentit kuumennetaan 600 ± 200 asteeseen inerttikaasuatmosfäärissä ja hartsi hajotetaan pienimolekyyliseksi pyrolyysiöljyksi ja pyrolyysikaasuksi ilman happea. Pyrolyysikaasu koostuu pääasiassa hiilidioksidista, vedystä ja metaanista. Sen jälkeen ruiskutetaan sopiva määrä happea järjestelmään, jotta pienimolekyylinen palava palaminen, palamisesta syntyvä lämpö tuottaa edelleen lämpöenergiaa järjestelmään. Tulevan järjestelmän happi tarvitsee tarkan kvantitatiivisen hallinnan. Liiallinen hapenotto lisää järjestelmän räjähdysvaaraa. Samalla se aiheuttaa myös kierrätetyn hiilikuidun peroksidaatiota ja heikentää kuidun mekaanisia ominaisuuksia. Hapenotto on liian alhainen, eikä kuidun pinnalla olevaa hartsia ja pyrolyyttistä öljyä voida poistaa kokonaan, mikä vaikuttaa kuidun viimeistelyyn. Korkean lämpötilan pyrolyysin lämpötila riippuu hartsin tyypistä. Yleensä polyesterihartsi voi hajota alemmassa lämpötilassa, kun taas epoksihartsin täytyy hajota korkeammassa lämpötilassa. Yksinkertaisen toiminnan ja korkean talteenoton vuoksi korkean lämpötilan lämpöhajoamismenetelmää on sovellettu teollisuudessa. Korkean lämpötilan lämpöhajoamisen käsittelyn jälkeen voidaan saada lyhyen hiilikuidun sileä pinta, mutta kuidun käsittelyn jälkeen tapahtuu eri hapetusasteita ja kuidun pinnalla satunnaista hiilen laskeutumista, mikä vaikuttaa mekaanisiin ominaisuuksiin. kuidusta.
② Leijupetilämpöhajoamismenetelmä. CFRP:n talteenottoprosessi leijukerroslämpöhajotuksella on esitetty kuvassa 1. Komposiittimateriaali tuodaan jätemateriaalista ja lisätään leijukerrokseen. Komposiittimateriaalissa oleva hartsi hajoaa korkeissa lämpötiloissa kuuman ilman virtauskentässä ja hajoanut pyrolyysikaasu jatkuu järjestelmän lämpöenergiana palamisen kautta. Lämpöhajoamisen jälkeen hiilikuitu- ja hartsihiukkaset otetaan talteen syklonierottimessa. Lämpövirta vie talteen otetun kuidun kuitusäiliöön, kun taas tulenkestävä materiaali jätetään leijukerroksen pohjalle. Leijukerrospyrolyysillä käsitelty CFRP on yleensä kooltaan 2-3 cm², jota voidaan syöttää jatkuvasti leijukerrokseen jatkuvan tuotannon saavuttamiseksi, ja lyhyt hiilikuitu voidaan saada kierrättämällä. Syklonierottimen sisäseinän ja leijupedissä olevan kaasusidonnaisen soran ja kuidun välinen kitka aiheuttaa jonkin verran mekaanisia vaurioita, joten kuidun vetolujuus tämän käsittelyn jälkeen pienenee noin 1/4.
③ Mikroaaltolämpöhajoamismenetelmä. CFRP asetettiin mikroaaltosäteilykenttään ja hartsi kuumennettiin mikroaaltouunissa hajoamaan pieniksi molekyyliyhdisteiksi. Mikroaaltolämpöhajoamismenetelmä voi tehokkaasti lyhentää hiilikuidun talteenottoon tarvittavaa aikaa, laitteiden lukumäärä on suhteellisen pieni ja prosessin toiminta on yksinkertainen.
(3) liuottimen talteenottomenetelmä. Liuottimen talteenottomenetelmä viittaa siihen, että CFRP-jätteen hartsi liuottimessa hajoaa liukoisiksi aineiksi hartsin hajoamisen ja liukenemisen kautta, jolloin saavutetaan kuidun ja hartsin erottaminen, hiilikuitu pesun jälkeen ja kuivaus kuidun talteenottamiseksi. Liuottimen talteenottomenetelmät jaetaan yleensä tavallisiin normaalipaineisiin liuotinmenetelmiin ja ylikriittisiin korkeapaineisiin liuotinmenetelmiin.
① Yleinen liuotinmenetelmä. Yleisessä liuotinmenetelmässä käytetään typpihappoa ja alkoholia hajoamishartsin reaktioliuottimena ilmakehän paineessa, mikä on yksinkertainen käyttää ja alhainen laitteiston syöttökustannuksiltaan. Talteenotettu kuitu säilyttää periaatteessa alkuperäisen kuidun pituuden ja sitä voidaan käyttää uudelleen pitkäkuituna komposiittimateriaaleissa. Hartsin hajoamisaika liuottimessa on kuitenkin pidempi ja jätteen liuotinkäsittely käytön jälkeen vaikeaa, mikä lisää talteenottokustannuksia ja aiheuttaa helposti ympäristön saastumista. Komposiittimateriaalin eri muovausprosessien mukaan käytetty hartsi on erilainen ja käytetty prosessi on erilainen.
② Ylikriittinen liuotinmenetelmä. Kun aineen lämpötila ja paine ylittävät tietyn kriittisen lämpötilan ja paineen, erityistilaa, jossa on korkea kokoonpuristuvuus, korkea liukoisuus, korkea läpäisevyys, korkea diffuusio, pieni tiheys ja matala viskositeetti, kutsutaan "ylikriittiseksi tilaksi" ja tässä olevaa liuotinta. tilaa kutsutaan "ylikriittiseksi liuottimeksi". CFRP-jätehartsi hajotettiin ylikriittisellä liuottimella, jolla oli korkea liukoisuus ja korkea polymeerimateriaalien läpäisevyys, ja hiilikuidun talteenoton tarkoitus toteutui. Tällä kierrätysmenetelmällä kuidun pinta on sileä, kuitu säilyttää alkuperäisen pituuden, kuidun suorituskyky on korkea, kierrätysprosessi ei tuota uutta saastumista, vihreää ympäristönsuojelua. Tämän menetelmän soveltaminen vaatii kuitenkin suuria laiteinvestointeja ja ankaria prosessiolosuhteita, ja se on vielä väliaikaisesti laboratoriovaiheessa eikä sitä ole muunnettu teolliseksi.
Odotus
Hiilikuituteknologian edistyessä hiilikuidun tuotanto kasvaa samalla kun tuotantokustannuksia alennetaan vähitellen, sen käyttö eri aloilla kasvaa edelleen, ja CFRP:n talteenotosta ja uudelleenkäytöstä on tullut merkittävä ongelma, joka rajoittaa hiilen laajaa käyttöä. kuitua.
