Materialinformation
Kolfiber är ett slags höghållfast, högmodul, mjukt och bearbetbart fibermaterial med utmärkta fysikaliska och kemiska egenskaper. Kolfiberförstärkt polymer/plast, CFRP har använts i stor utsträckning i energianläggningar, flyg, militärutrustning, järnvägstransitering och sportartiklar. Den globala efterfrågan på kolfiber nådde 107,000 ton 2020 och fortsätter att växa. Guangzhou Saios "2020 Global Carbon Fiber Composites Market Report" förutspådde att den globala efterfrågan på kolfiber kommer att bryta 200,000 ton 2025.
Med den ökande tillämpningen av CFRP genereras mer och mer avfall i processen för bearbetning, användning och avfall. Till exempel har vindkraftsteknik snabbt främjats under de senaste åren, men bladens livslängd är bara 20-30 år. År 2030 kommer de kasserade bladen av CFRP-vindkraft att nå tiotusentals ton per år. Inom den civila luftfartssektorn kommer nästan 8 500 flygplan världen över att gå i pension till 2025, och återvinningen av CFRP-avfall från deras kroppar är en utmaning. Med förbättringen av människors miljömedvetenhet blir de relevanta miljölagarna och reglerna för avfallshantering av CFRP mer och mer strikta. Hur man effektivt kan återvinna kolfiber för återvinning har blivit en het fråga just nu.
Hartset som används vid bearbetning av CFRP är uppdelat i termoplastiskt harts och värmehärdande harts. Återvinningsmetoden för termoplastmatriskompositer är enkel, men viskositeten hos det termoplastiska hartset i smältprocessen är hög, vidhäftningen av harts på fiberytan är dålig och gränssnittsegenskapen hos kompositmaterial är dålig, vilket påverkar prestandan. av produkter. För närvarande är CFRP-matrisen ett huvudsakligen värmehärdande harts, såsom omättat harts, fenolharts och epoxiharts. Efter härdning kommer det härdbara hartset att bilda en tredimensionell nätverkstvärbunden struktur, vilket kan förbättra de fysiska egenskaperna hos CFRP jämfört med termoplastiskt harts.
CFRP återvinningsteknik
CFRP kan inte brytas ned naturligt, förbränning eller deponi är den tidiga behandlingsmetoden, men CFRP-avfallsförbränning kommer att producera ett stort antal giftiga och skadliga gaser och påverka den naturliga miljön, samtidigt kommer avfallsrester från deponiförbränning också att orsaka mark sekundär förorening; Deponibehandling av CFRP-avfall kommer att förorena marken och uppta ett stort antal markresurser. Detta dokument introducerar huvudsakligen tillämpningen av den mekaniska återvinningsmetoden, värmeåtervinningsmetoden och lösningsmedelsåtervinningsmetoden vid CFRP-återvinning, och förklarar utmaningarna och utsikterna för varje metod i praktisk tillämpning.
(1) Mekanisk återvinningsmetod. Den mekaniska återvinningsmetoden är att rulla och mala CFRP-avfall under inverkan av mekanisk kraft så att kolfiber avlägsnas från hartsmatrisen, hartspartiklar och kort kolfiber kan erhållas efter behandling. Den skurna fibern i millimeterskala kan användas som byggnadsfyllmedel, och den skurna fibern i mikronskala kan användas som blandningsfyllmedel av arkformningsplast, blockformningsplast eller termoplast. Den mekaniska återvinningsmetoden har fördelarna med en enkel process och låg investeringskostnad. Det producerar inte nya miljöföroreningar samtidigt som det återvinner fibern och hartset. Den mekaniska kraften orsakar emellertid skada på fibern under separationsprocessen av harts och fiber, och fiberprestandan är låg.
(2) Värmeåtervinningsmetod. Beroende på de olika processvägarna kan värmeåtervinningsmetoden delas in i den termiska sönderdelningsmetoden vid hög temperatur, den termiska sönderdelningsmetoden i fluidiserad bädd och den termiska sönderdelningsmetoden för mikrovågor. Principen är att sönderdela hartset till små molekylära föreningar under inverkan av värmeenergi.
① Termisk nedbrytningsmetod vid hög temperatur. För det första görs CFRP-avfall till fragment under inverkan av mekanisk kraft. Fragmenten upphettas till 600±200 grader under den inerta gasatmosfären, och hartset sönderdelas till lågmolekylär pyrolysolja och pyrolysgas under tillstånd utan syre. Pyrolysgasen består huvudsakligen av koldioxid, väte och metan. Injicera sedan en lämplig mängd syre i systemet, så att lågmolekylär brännbar förbränning, förbränningsgenererad värme fortsätter att ge värmeenergi till systemet. Syret i det inkommande systemet behöver exakt kvantitativ kontroll. Överdrivet syreintag ökar risken för explosion av systemet. Samtidigt kommer det också att orsaka peroxidation av återvunnen kolfiber och minska fiberns mekaniska egenskaper. Syreintaget är för lågt och resterande harts och pyrolytisk olja på fiberytan kan inte avlägsnas helt, vilket påverkar fiberfinishen. Temperaturen vid högtemperaturpyrolys beror på typen av harts. I allmänhet kan polyesterhartset sönderdelas vid en lägre temperatur, medan epoxiharts behöver sönderdelas vid en högre temperatur. På grund av den enkla driften och höga återvinningen har den termiska sönderdelningsmetoden vid hög temperatur använts inom industrin. Efter behandling av termisk sönderdelning vid hög temperatur kan den släta ytan av den korta kolfibern erhållas, men efter behandlingen av fibern kommer olika grader av oxidation att ske och ytan på fibern ibland kolavsättning, vilket påverkar de mekaniska egenskaperna av fibern.
② Termisk nedbrytningsmetod för fluidiserad bädd. Processen för återvinning av CFRP genom termisk sönderdelning i fluidiserad bädd visas i figur 1. Kompositmaterialet importeras från avfallsmaterialet och läggs till den fluidiserade bädden. Hartset i kompositmaterialet sönderdelas vid höga temperaturer i varmluftsflödesfältet, och den nedbrutna pyrolysgasen fortsätter som systemets värmeenergi genom förbränning. Efter termisk nedbrytning återvinns kolfiber och hartspartiklar i cyklonseparatorn. Det termiska flödet tar den återvunna fibern till fibertanken, medan det eldfasta materialet lämnas i botten av den fluidiserade bädden. Den CFRP som bearbetas genom pyrolys med fluidiserad bädd är i allmänhet 2 ~ 3 cm² stor, som kontinuerligt kan matas till den fluidiserade bädden för att uppnå kontinuerlig produktion, och den korta kolfibern kan erhållas genom återvinning. Friktionen mellan cyklonseparatorns innervägg och det gasbundna gruset i den fluidiserade bädden och fibern kommer att orsaka viss mekanisk skada, så fiberns draghållfasthet efter denna behandling kommer att minska med cirka 1/4.
③ Termisk nedbrytningsmetod för mikrovågor. CFRP placerades i ett mikrovågsstrålningsfält och hartset upphettades med mikrovågsugn för att brytas ned till små molekylära föreningar. Den termiska nedbrytningsmetoden för mikrovågor kan effektivt förkorta den tid som krävs för återvinning av kolfiber, antalet utrustningar är relativt litet och processoperationen är enkel.
(3) metod för återvinning av lösningsmedel. Metoden för återvinning av lösningsmedel hänvisar till att hartset i CFRP-avfall i lösningsmedlet försvinner till lösliga ämnen, genom nedbrytning och upplösning av hartset för att uppnå separation av fiber och harts, kolfiber efter tvättning och torkning för att återvinna fiber. Metoder för återvinning av lösningsmedel är i allmänhet uppdelade i vanliga lösningsmedelsmetoder under normalt tryck och superkritiska lösningsmedelsmetoder under högt tryck.
① Vanlig lösningsmedelsmetod. Den vanliga lösningsmedelsmetoden använder salpetersyra och alkohol som reaktionslösningsmedel för nedbrytningsharts under atmosfärstryck, vilket är enkelt i drift och låg i utrustningskostnad. Den återvunna fibern behåller i princip den ursprungliga fiberlängden och kan återanvändas som långfiber i kompositmaterial. Emellertid är nedbrytningstiden för hartset i lösningsmedlet längre, och avfallsbehandlingen av lösningsmedel efter användning är svår, vilket ökar återvinningskostnaden och lätt orsakar miljöföroreningar. Beroende på de olika formningsprocesserna för kompositmaterialet är hartset som används olika och processen som används är annorlunda.
② Superkritisk lösningsmedelsmetod. När temperaturen och trycket för ett ämne överstiger en viss kritisk temperatur och tryck, kallas det speciella tillståndet med hög kompressibilitet, hög löslighet, hög permeabilitet, hög diffusivitet, låg densitet och låg viskositet "superkritiskt tillstånd", och lösningsmedlet i detta tillstånd kallas "superkritiskt lösningsmedel". CFRP-avfallshartset bröts ned av ett superkritiskt lösningsmedel med hög löslighet och hög permeabilitet för polymermaterial, och syftet med kolfiberåtervinning förverkligades. Med denna återvinningsmetod är fiberytan slät, fibern bibehåller den ursprungliga längden, fiberprestandan är hög, återvinningsprocessen producerar inte ny förorening, grönt miljöskydd. Tillämpningen av denna metod kräver dock en stor investering i utrustning och hårda processförhållanden, och den befinner sig fortfarande tillfälligt i laboratoriestadiet och har inte omvandlats till en industriell sådan.
Förväntan
Med utvecklingen av kolfiberproduktionstekniken ökar kolfiberproduktionen samtidigt som produktionskostnaden gradvis minskas, dess tillämpning inom olika områden kommer att fortsätta att öka, och CFRP-återvinning och återanvändning har blivit ett framträdande problem som begränsar den omfattande användningen av kol fiber.
