Informacije o materialu
Ogljikova vlakna so vrsta vlaknastega materiala visoke trdnosti, visokega modula, mehkega in obdelovalnega materiala z odličnimi fizikalnimi in kemičnimi lastnostmi. Polimer/plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni, CFRP se pogosto uporablja v energetskih objektih, vesoljski industriji, vojaški opremi, železniškem tranzitu in športni opremi. Svetovno povpraševanje po ogljikovih vlaknih je leta 2020 doseglo 107,000 ton in še naprej raste. Guangzhou Saio "2020 Global Carbon Fiber Composites Market Report" napoveduje, da bo svetovno povpraševanje po ogljikovih vlaknih leta 2025 preseglo 200000 ton.
Z vse večjo uporabo CFRP nastaja vedno več odpadkov v procesu predelave, uporabe in odpadkov. Na primer, tehnologija vetrne energije se je v zadnjih letih pospešeno promovirala, vendar je življenjska doba lopatic le 20-30 let. Do leta 2030 bodo zavržene lopatice CFRP vetrne energije dosegle več deset tisoč ton na leto. V sektorju civilnega letalstva bo do leta 2025 po vsem svetu upokojenih skoraj 8500 letal, recikliranje odpadkov CFRP iz njihovih karoserij pa je izziv. Z izboljšanjem okoljske ozaveščenosti ljudi postajajo ustrezni okoljski zakoni in predpisi o odlaganju CFRP odpadkov vse strožji. Kako učinkovito reciklirati ogljikova vlakna za recikliranje, je trenutno postalo vroča tema.
Smolo, ki se uporablja pri predelavi CFRP, delimo na termoplastično smolo in termoreaktivno smolo. Metoda predelave matričnih kompozitov iz termoplastične smole je preprosta, vendar je viskoznost termoplastične smole v procesu taljenja visoka, oprijem smole na površino vlaken je slab, lastnost vmesne ploskve kompozitnega materiala pa je slaba, kar vpliva na zmogljivost izdelkov. Trenutno je matrika CFRP v glavnem termoreaktivna smola, kot so nenasičena smola, fenolna smola in epoksi smola. Po strjevanju bo termoreaktivna smola oblikovala tridimenzionalno mrežno zamreženo strukturo, ki lahko izboljša fizikalne lastnosti CFRP v primerjavi s termoplastično smolo.
Tehnologija predelave CFRP
CFRP ni mogoče naravno razgraditi, sežiganje ali odlaganje na odlagališčih je zgodnja metoda obdelave, vendar bo sežiganje odpadkov CFRP proizvedlo veliko število strupenih in škodljivih plinov ter vplivalo na naravno okolje, hkrati pa bodo ostanki odpadkov iz sežiganja odpadkov povzročili tudi zemljo sekundarno onesnaženje; Obdelava CFRP odpadkov na odlagališčih bo onesnažila tla in zasedla veliko zemeljskih virov. Ta dokument v glavnem predstavlja uporabo metode mehanske rekuperacije, metode toplotne rekuperacije in metode rekuperacije s topilom pri rekuperaciji CFRP ter pojasnjuje izzive in obete vsake metode v praktični uporabi.
(1) Metoda mehanske predelave. Metoda mehanske predelave je valjanje in mletje odpadkov CFRP pod delovanjem mehanske sile, tako da se ogljikova vlakna odstranijo iz smolne matrice, po obdelavi pa se lahko pridobijo delci smole in kratka ogljikova vlakna. Vlakna v milimetrskem merilu se lahko uporabljajo kot gradbeno polnilo, vlakna v mikronskem merilu pa se lahko uporabljajo kot mešano polnilo plastike za oblikovanje plošč, plastike za oblikovanje blokov ali termoplasta. Metoda mehanske predelave ima prednosti enostavnega postopka in nizkih investicijskih stroškov. Med obnavljanjem vlaken in smole ne povzroča novega onesnaževanja okolja. Vendar pa mehanska sila povzroči poškodbe vlaken med postopkom ločevanja smole in vlaken, zato je stopnja zadrževanja zmogljivosti vlaken nizka.
(2) Metoda rekuperacije toplote. Glede na različne procesne poti lahko metodo rekuperacije toplote razdelimo na metodo visokotemperaturne toplotne razgradnje, metodo toplotne razgradnje z zvrtinčeno plastjo in metodo mikrovalovne termične razgradnje. Načelo je razgradnja smole na majhne molekularne spojine pod delovanjem toplotne energije.
① Metoda toplotne razgradnje pri visoki temperaturi. Prvič, odpadki CFRP se pod delovanjem mehanske sile razdrobijo. Fragmenti se segrejejo na 600±200 stopinj v atmosferi inertnega plina, smola pa se razgradi v nizko molekularno pirolizno olje in pirolizni plin pod pogojem brez kisika. Pirolizni plin je v glavnem sestavljen iz ogljikovega dioksida, vodika in metana. Nato v sistem vbrizgajte ustrezno količino kisika, tako da zgorevanje z nizko molekularnimi gorljivimi snovmi, toplota, ustvarjena z izgorevanjem, še naprej zagotavlja toplotno energijo za sistem. Kisik v dovodnem sistemu potrebuje natančen kvantitativni nadzor. Prevelik vnos kisika bo povečal tveganje za eksplozijo sistema. Medtem bo povzročil tudi peroksidacijo recikliranih ogljikovih vlaken in zmanjšal mehanske lastnosti vlaken. Vnos kisika je prenizek, ostankov smole in pirolitičnega olja na površini vlaken pa ni mogoče popolnoma odstraniti, kar vpliva na končno obdelavo vlaken. Temperatura visokotemperaturne pirolize je odvisna od vrste smole. Na splošno se poliestrska smola lahko razgradi pri nižji temperaturi, medtem ko se mora epoksi smola razgraditi pri višji temperaturi. Zaradi enostavnega delovanja in velikega izkoristka se v industriji uporablja metoda visokotemperaturne termične razgradnje. Po obdelavi z visokotemperaturno termično razgradnjo lahko dobimo gladko površino kratkih ogljikovih vlaken, vendar po obdelavi vlaken pride do različnih stopenj oksidacije, površina vlaken pa občasno odlaganje ogljika, kar vpliva na mehanske lastnosti vlaken.
② Metoda termične razgradnje z zvrtinčeno posteljo. Postopek pridobivanja CFRP s toplotno razgradnjo v vrtinčeni plasti je prikazan na sliki 1. Kompozitni material se uvozi iz odpadnega materiala in doda v vrtinčeno plast. Smola v kompozitnem materialu se razgradi pri visokih temperaturah v polju toka vročega zraka, razkrojeni pirolizni plin pa se nadaljuje kot toplotna energija sistema z zgorevanjem. Po termični razgradnji se delci ogljikovih vlaken in smole zbirajo v ciklonskem separatorju. Toplotni tok odnese pridobljena vlakna v rezervoar za vlakna, medtem ko ognjevarni material ostane na dnu vrtinčene plasti. CFRP, obdelan s pirolizo z zvrtinčeno plastjo, je na splošno velik 2 ~ 3 cm², ki se lahko neprekinjeno dovaja v zvrtinčeno plast, da se doseže neprekinjena proizvodnja, kratka ogljikova vlakna pa je mogoče pridobiti z recikliranjem. Trenje med notranjo steno ciklonskega separatorja in gramozom, vezanim na plin, v fluidizirani plasti in vlakni bo povzročilo nekaj mehanskih poškodb, zato se bo natezna trdnost vlaken po tej obdelavi zmanjšala za približno 1/4.
③ Metoda termične razgradnje v mikrovalovni pečici. CFRP je bil postavljen v polje mikrovalovnega obsevanja, smola pa je bila segreta z mikrovalovno pečico, da se razgradi v majhne molekularne spojine. Metoda termične razgradnje v mikrovalovni pečici lahko učinkovito skrajša čas, potreben za predelavo ogljikovih vlaken, število opreme je relativno majhno, postopek pa je preprost.
(3) metoda pridobivanja topila. Metoda predelave s topilom se nanaša na smolo v odpadkih CFRP v topilu, ki se razgradi v topne snovi z razgradnjo in raztapljanjem smole, da se doseže ločitev vlaken in smole, ogljikovih vlaken po pranju in sušenja za pridobitev vlaken. Metode pridobivanja topil se na splošno delijo na običajne metode topil pri normalnem tlaku in metode superkritičnih topil pri visokem tlaku.
① Običajna metoda s topilom. Običajna metoda s topilom uporablja dušikovo kislino in alkohol kot reakcijsko topilo razgradne smole pod atmosferskim tlakom, kar je enostavno za uporabo in ima nizke vhodne stroške opreme. Obnovljena vlakna v bistvu ohranijo prvotno dolžino vlaken in se lahko ponovno uporabijo kot dolga vlakna v kompozitnih materialih. Vendar pa je čas razgradnje smole v topilu daljši, obdelava odpadnega topila po uporabi pa je težavna, kar poveča stroške predelave in zlahka povzroči onesnaženje okolja. Glede na različne postopke oblikovanja kompozitnega materiala je uporabljena smola različna in uporabljeni postopek je drugačen.
② Metoda superkritičnega topila. Ko temperatura in tlak snovi presežeta določeno kritično temperaturo in tlak, se posebno stanje visoke stisljivosti, visoke topnosti, visoke prepustnosti, visoke difuzivnosti, nizke gostote in nizke viskoznosti imenuje "superkritično stanje" in topilo v tem stanje imenujemo "superkritično topilo". Odpadna smola CFRP je bila razgrajena s superkritičnim topilom z visoko topnostjo in visoko prepustnostjo polimernih materialov in dosežen je bil namen predelave ogljikovih vlaken. S to metodo recikliranja je površina vlaken gladka, vlakna ohranijo prvotno dolžino, zmogljivost vlaken je visoka, postopek recikliranja ne povzroči novega onesnaženja, zeleno varstvo okolja. Vendar pa uporaba te metode zahteva velike investicije v opremo in težke procesne pogoje, začasno pa je še v laboratorijski fazi in ni preoblikovana v industrijsko.
Pričakovanje
Z napredkom tehnologije proizvodnje ogljikovih vlaken se proizvodnja ogljikovih vlaken povečuje, hkrati pa se proizvodni stroški postopoma znižujejo, njegova uporaba na različnih področjih se bo še naprej povečevala, predelava in ponovna uporaba CFRP pa sta postala pomembna težava, ki omejuje obsežno uporabo ogljika. vlakno.
