Materiële informatie
Koolstofvezel is een soort zeer sterk, hoogmodulus, zacht en bewerkbaar vezelmateriaal met uitstekende fysische en chemische eigenschappen. Met koolstofvezel versterkt polymeer/kunststof, CFRP wordt veel gebruikt in energiefaciliteiten, ruimtevaart, militaire uitrusting, spoorwegvervoer en sportartikelen. De wereldwijde vraag naar koolstofvezel bedroeg 107,000 ton in 2020 en blijft groeien. Het "2020 Global Carbon Fiber Composites Market Report" van Guangzhou Saio voorspelde dat de wereldwijde vraag naar koolstofvezel in 2025 de 200,000 ton zal overschrijden.
Met de toenemende toepassing van CFRP wordt er steeds meer afval gegenereerd in het proces van verwerking, gebruik en afval. Windenergietechnologie is de afgelopen jaren bijvoorbeeld snel gepromoot, maar de levensduur van de wieken is slechts 20-30 jaar. Tegen 2030 zullen de afgedankte bladen van CFRP-windenergie tienduizenden tonnen per jaar bereiken. In de burgerluchtvaart zullen tegen 2025 wereldwijd bijna 8.500 vliegtuigen buiten gebruik worden gesteld, en het recyclen van CFRP-afval van hun lichaam is een uitdaging. Met de verbetering van het milieubewustzijn van mensen, worden de relevante milieuwetten en -voorschriften voor CFRP-afvalverwerking steeds strenger. Het efficiënt recyclen van koolstofvezel voor recycling is momenteel een hot issue geworden.
De hars die wordt gebruikt bij de verwerking van CFRP is onderverdeeld in thermoplastische hars en thermohardende hars. De herstelmethode van thermoplastische harsmatrixcomposieten is eenvoudig, maar de viscositeit van de thermoplastische hars tijdens het smeltproces is hoog, de hechting van hars op het vezeloppervlak is slecht en de interface-eigenschap van composietmateriaal is slecht, wat de prestaties beïnvloedt van producten. Momenteel is de CFRP-matrix een hoofdzakelijk thermohardende hars, zoals onverzadigde hars, fenolhars en epoxyhars. Na uitharding vormt de thermohardende hars een driedimensionale netwerkverknoopte structuur, die de fysieke eigenschappen van CFRP kan verbeteren in vergelijking met thermoplastische hars.
CFRP-hersteltechnologie
CFRP kan niet op natuurlijke wijze worden afgebroken, verbranding of storten is de vroege behandelingsmethode, maar CFRP-afvalverbranding zal een groot aantal giftige en schadelijke gassen produceren en de natuurlijke omgeving aantasten. secundaire vervuiling; Stortverwerking van CFRP-afval zal de bodem vervuilen en een groot aantal landbronnen in beslag nemen. Dit artikel introduceert voornamelijk de toepassing van de mechanische herstelmethode, warmteterugwinningsmethode en oplosmiddelherstelmethode bij CFRP-herstel, en gaat in op de uitdagingen en vooruitzichten van elke methode in praktische toepassing.
(1) Mechanische herstelmethode. De mechanische herstelmethode is het walsen en malen van CFRP-afval onder invloed van mechanische kracht, zodat koolstofvezel wordt ontdaan van de harsmatrix, harsdeeltjes en korte koolstofvezel kunnen worden verkregen na behandeling. De op millimeterschaal gesneden vezel kan worden gebruikt als bouwvuller en de op micronschaal gesneden vezel kan worden gebruikt als mengvuller van plaatvormkunststof, blokvormkunststof of thermoplast. De mechanische herstelmethode heeft de voordelen van een eenvoudig proces en lage investeringskosten. Het produceert geen nieuwe milieuvervuiling terwijl de vezels en hars worden teruggewonnen. De mechanische kracht veroorzaakt echter schade aan de vezel tijdens het scheidingsproces van hars en vezel, en de retentiegraad van de vezelprestaties is laag.
(2) Methode voor warmteterugwinning. Volgens de verschillende procesroutes kan de warmteterugwinningsmethode worden onderverdeeld in de thermische ontledingsmethode bij hoge temperatuur, de thermische ontledingsmethode met gefluïdiseerd bed en de thermische ontledingsmethode in de microgolfoven. Het principe is om de hars te ontbinden in kleine moleculaire verbindingen onder invloed van warmte-energie.
① Thermische ontledingsmethode op hoge temperatuur. Ten eerste wordt CFRP-afval tot fragmenten gemaakt onder invloed van mechanische kracht. De fragmenten worden verwarmd tot 600 ± 200 graden onder de inerte gasatmosfeer en de hars wordt ontleed in laagmoleculaire pyrolyse-olie en pyrolysegas onder de voorwaarde dat er geen zuurstof is. Het pyrolysegas bestaat voornamelijk uit koolstofdioxide, waterstof en methaan. Injecteer vervolgens een geschikte hoeveelheid zuurstof in het systeem, zodat laagmoleculaire brandbare verbranding, door verbranding gegenereerde warmte, warmte-energie blijft leveren aan het systeem. De zuurstof in het inkomende systeem heeft nauwkeurige kwantitatieve controle nodig. Overmatige zuurstofinname verhoogt het risico op explosie van het systeem. Ondertussen zal het ook peroxidatie van gerecyclede koolstofvezel veroorzaken en de mechanische eigenschappen van de vezel verminderen. De zuurstofopname is te laag en de resterende hars en pyrolytische olie op het vezeloppervlak kunnen niet volledig worden verwijderd, wat de vezelafwerking aantast. De temperatuur van pyrolyse bij hoge temperatuur is afhankelijk van het type hars. Over het algemeen kan de polyesterhars bij een lagere temperatuur ontleden, terwijl de epoxyhars bij een hogere temperatuur moet ontleden. Vanwege de eenvoudige bediening en het hoge herstel wordt de thermische ontledingsmethode bij hoge temperatuur toegepast in de industrie. Na de behandeling van thermische ontleding bij hoge temperatuur kan het gladde oppervlak van de korte koolstofvezel worden verkregen, maar na de behandeling van de vezel zullen verschillende graden van oxidatie optreden en het oppervlak van de vezel af en toe koolstofafzetting, wat de mechanische eigenschappen beïnvloedt van de vezel.
② Wervelbed thermische ontledingsmethode. Het proces van CFRP-terugwinning door thermische ontleding in een gefluïdiseerd bed wordt getoond in figuur 1. Het composietmateriaal wordt geïmporteerd uit het afvalmateriaal en toegevoegd aan het wervelbed. De hars in het composietmateriaal wordt ontleed bij hoge temperaturen in het heteluchtstroomveld en het ontlede pyrolysegas wordt door verbranding voortgezet als de warmte-energie van het systeem. Na thermische ontleding worden koolstofvezel- en harsdeeltjes teruggewonnen in de cycloonafscheider. De thermische stroom brengt de teruggewonnen vezel naar de vezeltank, terwijl het vuurvaste materiaal op de bodem van het wervelbed achterblijft. De CFRP die wordt verwerkt door wervelbedpyrolyse is over het algemeen 2 ~ 3 cm² groot, die continu naar het wervelbed kan worden gevoerd om een continue productie te bereiken, en de korte koolstofvezel kan worden verkregen door recycling. De wrijving tussen de binnenwand van de cycloonafscheider en het gasgebonden grind in het wervelbed en de vezel zal enige mechanische schade veroorzaken, waardoor de treksterkte van de vezel na deze behandeling met ongeveer 1/4 verminderd zal zijn.
③ Microgolf thermische ontledingsmethode. CFRP werd in een microgolfbestralingsveld geplaatst en de hars werd verwarmd door microgolven om te degraderen tot kleine moleculaire verbindingen. De microgolf thermische ontledingsmethode kan de tijd die nodig is voor koolstofvezelherstel effectief verkorten, het aantal apparatuur is relatief klein en de procesvoering is eenvoudig.
(3) methode voor het terugwinnen van oplosmiddelen. De methode voor het terugwinnen van oplosmiddelen verwijst naar de hars in CFRP-afval in het oplosmiddel dat afneemt in oplosbare stoffen, door de afbraak en oplossing van de hars om de scheiding van vezels en hars, koolstofvezel na wassen en drogen te bereiken om vezels te herstellen. Methoden voor het terugwinnen van oplosmiddelen zijn over het algemeen verdeeld in gewone oplosmiddelmethoden onder normale druk en superkritische oplosmiddelmethoden onder hoge druk.
① Gemeenschappelijke oplosmiddelmethode. De gebruikelijke oplosmiddelmethode gebruikt salpeterzuur en alcohol als het reactieoplosmiddel van afbraakhars onder atmosferische druk, wat eenvoudig in gebruik is en lage kosten voor apparatuur. De teruggewonnen vezel behoudt in principe de oorspronkelijke vezellengte en kan opnieuw worden gebruikt als lange vezel in composietmaterialen. De afbraaktijd van hars in het oplosmiddel is echter langer en de behandeling van afvaloplosmiddel na gebruik is moeilijk, wat de terugwinningskosten verhoogt en gemakkelijk milieuvervuiling veroorzaakt. Volgens de verschillende vormingsprocessen van het composietmateriaal is de gebruikte hars anders en is het gebruikte proces anders.
② Superkritische oplosmiddelmethode. Wanneer de temperatuur en druk van een stof een bepaalde kritische temperatuur en druk overschrijden, wordt de speciale toestand van hoge samendrukbaarheid, hoge oplosbaarheid, hoge permeabiliteit, hoge diffusie, lage dichtheid en lage viscositeit "superkritische toestand" genoemd, en het oplosmiddel hierin toestand wordt "superkritisch oplosmiddel" genoemd. De CFRP-afvalhars werd afgebroken door een superkritisch oplosmiddel met hoge oplosbaarheid en hoge permeabiliteit van polymeermaterialen, en het doel van koolstofvezelterugwinning werd gerealiseerd. Met behulp van deze recyclingmethode is het vezeloppervlak glad, behoudt de vezel de oorspronkelijke lengte, is de vezelprestatie hoog, veroorzaakt het recyclingproces geen nieuwe vervuiling, groene milieubescherming. De toepassing van deze methode vereist echter een grote investering in apparatuur en zware procesomstandigheden, en bevindt zich nog tijdelijk in het laboratoriumstadium en is nog niet omgevormd tot een industriële methode.
Verwachting
Met de vooruitgang van de koolstofvezelproductietechnologie neemt de koolstofvezelproductie toe terwijl tegelijkertijd de productiekosten geleidelijk worden verlaagd, de toepassing ervan op verschillende gebieden zal blijven toenemen en CFRP-terugwinning en hergebruik zijn een prominent probleem geworden dat de uitgebreide toepassing van koolstof beperkt vezel.
