Informácie o materiáli
Uhlíkové vlákno je druh vysoko pevného, vysokomodulového, mäkkého a opracovateľného vláknitého materiálu s vynikajúcimi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami. Polymér/plast vystužený uhlíkovými vláknami, CFRP sa široko používa v energetických zariadeniach, letectve, vojenskom vybavení, železničnej doprave a športovom tovare. Globálny dopyt po uhlíkových vláknach dosiahol v roku 2020 107,{3}} ton a naďalej rastie. „Správa o celosvetovom trhu kompozitov s uhlíkovými vláknami 2020“ Guangzhou Saio predpovedala, že celosvetový dopyt po uhlíkových vláknach v roku 2025 prekročí 200000 ton.
So zvyšujúcou sa aplikáciou CFRP sa v procese spracovania, používania a odpadu vytvára stále viac odpadu. V posledných rokoch sa napríklad rýchlo presadila technológia veternej energie, ale životnosť lopatiek je len 20-30 rokov. Do roku 2030 budú vyradené lopatky veternej energie z CFRP dosahovať desiatky tisíc ton ročne. V sektore civilného letectva bude do roku 2025 vyradených takmer 8 500 lietadiel na celom svete a recyklácia odpadu CFRP z ich tiel je výzvou. So zlepšovaním environmentálneho povedomia ľudí sú príslušné environmentálne zákony a predpisy o likvidácii odpadu z CFRP čoraz prísnejšie. Ako efektívne recyklovať uhlíkové vlákna na recykláciu sa v súčasnosti stalo horúcou témou.
Živica používaná pri spracovaní CFRP sa delí na termoplastickú živicu a termosetovú živicu. Metóda obnovy kompozitov s matricou z termoplastickej živice je jednoduchá, ale viskozita termoplastickej živice v procese tavenia je vysoká, adhézia živice na povrchu vlákna je slabá a vlastnosti rozhrania kompozitného materiálu sú slabé, čo ovplyvňuje výkon. produktov. V súčasnosti je matricou CFRP hlavne termosetová živica, ako je nenasýtená živica, fenolová živica a epoxidová živica. Po vytvrdnutí termosetová živica vytvorí trojrozmernú sieťovú zosieťovanú štruktúru, ktorá môže zlepšiť fyzikálne vlastnosti CFRP v porovnaní s termoplastickou živicou.
Technológia obnovy CFRP
CFRP sa nedá odbúrať prirodzene, spaľovanie alebo skládkovanie je metóda včasnej úpravy, ale spaľovanie odpadu CFRP bude produkovať veľké množstvo toxických a škodlivých plynov a ovplyvní prírodné prostredie, pričom zvyšky odpadu zo spaľovania skládok spôsobia aj pôdu sekundárne znečistenie; Skládkovanie odpadu CFRP znečistí pôdu a zaberie veľké množstvo pôdnych zdrojov. Tento dokument predstavuje najmä aplikáciu metódy mechanickej regenerácie, metódy regenerácie tepla a metódy regenerácie rozpúšťadla pri regenerácii CFRP a vysvetľuje výzvy a vyhliadky každej metódy v praktickej aplikácii.
(1) Mechanická metóda obnovy. Metóda mechanickej regenerácie spočíva v valcovaní a mletí odpadu CFRP pôsobením mechanickej sily tak, aby sa uhlíkové vlákno zbavilo živicovej matrice, po spracovaní sa získali častice živice a krátke uhlíkové vlákna. Vlákno narezané v milimetrovej mierke sa môže použiť ako stavebné plnivo a vlákno narezané v mikrónovej mierke sa môže použiť ako zmesové plnivo z plastu na formovanie do dosiek, plastov na tvarovanie blokov alebo termoplastov. Mechanická metóda obnovy má výhody jednoduchého procesu a nízkych investičných nákladov. Nevytvára nové znečistenie životného prostredia pri regenerácii vlákna a živice. Mechanická sila však spôsobuje poškodenie vlákna počas procesu separácie živice a vlákna a miera zachovania výkonu vlákna je nízka.
(2) Metóda rekuperácie tepla. Podľa rôznych trás procesu možno metódu rekuperácie tepla rozdeliť na metódu vysokoteplotného tepelného rozkladu, metódu tepelného rozkladu vo fluidnom lôžku a metódu mikrovlnného tepelného rozkladu. Princíp spočíva v tom, že sa živica pôsobením tepelnej energie rozloží na malomolekulárne zlúčeniny.
① Metóda tepelného rozkladu pri vysokej teplote. Po prvé, odpad CFRP sa pôsobením mechanickej sily rozdelí na fragmenty. Fragmenty sa zahrejú na 600 ± 200 stupňov pod atmosférou inertného plynu a živica sa rozloží na nízkomolekulárny pyrolýzny olej a pyrolýzny plyn bez prítomnosti kyslíka. Pyrolýzny plyn sa skladá hlavne z oxidu uhličitého, vodíka a metánu. Potom vstreknite primerané množstvo kyslíka do systému, aby nízkomolekulárne horľavé spaľovanie, spaľovaním generované teplo pokračovalo v poskytovaní tepelnej energie pre systém. Kyslík v privádzanom systéme potrebuje presnú kvantitatívnu kontrolu. Nadmerný príjem kyslíka zvýši riziko výbuchu systému. Medzitým to tiež spôsobí peroxidáciu recyklovaného uhlíkového vlákna a zníži mechanické vlastnosti vlákna. Prívod kyslíka je príliš nízky a zvyšková živica a pyrolytický olej na povrchu vlákna sa nedajú úplne odstrániť, čo ovplyvňuje povrch vlákna. Teplota vysokoteplotnej pyrolýzy závisí od typu živice. Vo všeobecnosti sa polyesterová živica môže rozkladať pri nižšej teplote, zatiaľ čo epoxidová živica sa musí rozkladať pri vyššej teplote. Kvôli jednoduchej prevádzke a vysokej výťažnosti sa v priemysle používa metóda vysokoteplotného tepelného rozkladu. Po spracovaní vysokoteplotným tepelným rozkladom je možné získať hladký povrch krátkeho uhlíkového vlákna, ale po spracovaní vlákna dôjde k rôznym stupňom oxidácie a na povrchu vlákna sa občas usadí uhlík, čo ovplyvňuje mechanické vlastnosti. vlákna.
② Metóda tepelného rozkladu vo fluidnom lôžku. Proces získavania CFRP tepelným rozkladom vo fluidnom lôžku je znázornený na obrázku 1. Kompozitný materiál sa dováža z odpadového materiálu a pridáva sa do fluidného lôžka. Živica v kompozitnom materiáli sa rozkladá pri vysokých teplotách v prúdovom poli horúceho vzduchu a rozložený pyrolýzny plyn pokračuje ako tepelná energia systému spaľovaním. Po tepelnom rozklade sa uhlíkové vlákna a častice živice získavajú v cyklónovom separátore. Tepelný tok privádza regenerované vlákno do nádrže na vlákna, zatiaľ čo žiaruvzdorný materiál zostáva na dne fluidného lôžka. CFRP spracovaný pyrolýzou vo fluidnom lôžku má vo všeobecnosti veľkosť 2 ~ 3 cm², ktorý sa môže kontinuálne privádzať do fluidného lôžka, aby sa dosiahla kontinuálna výroba, a krátke uhlíkové vlákna je možné získať recykláciou. Trenie medzi vnútornou stenou cyklónového odlučovača a plynom viazaným štrkom vo fluidnom lôžku a vláknom spôsobí určité mechanické poškodenie, takže pevnosť v ťahu vlákna po tomto spracovaní sa zníži asi o 1/4.
③ Metóda mikrovlnného tepelného rozkladu. CFRP sa umiestnil do poľa mikrovlnného žiarenia a živica sa zahrievala mikrovlnami, aby sa degradovala na zlúčeniny s malými molekulami. Metóda mikrovlnného tepelného rozkladu môže efektívne skrátiť čas potrebný na regeneráciu uhlíkových vlákien, počet zariadení je relatívne malý a prevádzka procesu je jednoduchá.
(3) metóda regenerácie rozpúšťadla. Metóda regenerácie rozpúšťadla sa vzťahuje na živicu v odpade CFRP v rozpúšťadle, ktorá sa rozpadá na rozpustné látky prostredníctvom degradácie a rozpustenia živice, aby sa dosiahlo oddelenie vlákna a živice, uhlíkového vlákna po praní a sušením na získanie vlákna. Metódy regenerácie rozpúšťadla sa vo všeobecnosti delia na bežné rozpúšťadlové metódy pri normálnom tlaku a superkritické rozpúšťadlové metódy pri vysokom tlaku.
① Bežná metóda rozpúšťadla. Bežná rozpúšťadlová metóda využíva kyselinu dusičnú a alkohol ako reakčné rozpúšťadlo degradačnej živice pri atmosférickom tlaku, čo je jednoduché na obsluhu a nízke vstupné náklady na zariadenie. Obnovené vlákno si v podstate zachováva pôvodnú dĺžku vlákna a môže sa znova použiť ako dlhé vlákno v kompozitných materiáloch. Čas degradácie živice v rozpúšťadle je však dlhší a spracovanie odpadového rozpúšťadla po použití je náročné, čo zvyšuje náklady na regeneráciu a ľahko spôsobuje znečistenie životného prostredia. Podľa rôznych procesov tvarovania kompozitného materiálu je použitá živica odlišná a použitý proces je odlišný.
② Superkritická metóda rozpúšťadla. Keď teplota a tlak látky prekročí určitú kritickú teplotu a tlak, špeciálny stav vysokej stlačiteľnosti, vysokej rozpustnosti, vysokej permeability, vysokej difúzivity, nízkej hustoty a nízkej viskozity sa nazýva „superkritický stav“ a rozpúšťadlo v tomto stav sa nazýva „superkritické rozpúšťadlo“. Odpadová živica CFRP bola degradovaná superkritickým rozpúšťadlom s vysokou rozpustnosťou a vysokou permeabilitou polymérnych materiálov a účel regenerácie uhlíkových vlákien bol realizovaný. Pri použití tejto metódy recyklácie je povrch vlákna hladký, vlákno si zachováva pôvodnú dĺžku, výkon vlákna je vysoký, proces recyklácie nevytvára nové znečistenie, zelenú ochranu životného prostredia. Aplikácia tejto metódy si však vyžaduje veľkú investíciu do vybavenia a drsných podmienok procesu a je stále dočasne v laboratórnom štádiu a neprešla transformáciou na priemyselnú.
Očakávanie
S pokrokom v technológii výroby uhlíkových vlákien sa výroba uhlíkových vlákien zvyšuje a zároveň sa výrobné náklady postupne znižujú, ich aplikácia v rôznych oblastiach sa bude naďalej zvyšovať a obnova a opätovné použitie CFRP sa stali významným problémom obmedzujúcim rozsiahle používanie uhlíka. vláknina.
