Maklumat bahan
Serat Karbon ialah sejenis bahan gentian berkekuatan tinggi, modulus tinggi, lembut dan boleh dimesin dengan sifat fizikal dan kimia yang sangat baik. Polimer/Plastik Bertetulang Gentian Karbon, CFRP telah digunakan secara meluas dalam kemudahan tenaga, aeroangkasa, peralatan ketenteraan, transit kereta api dan barangan sukan. Permintaan global untuk gentian karbon mencecah 107,000 tan pada tahun 2020 dan terus berkembang. "Laporan Pasaran Komposit Serat Karbon Global 2020" Guangzhou Saio meramalkan bahawa permintaan gentian karbon global akan memecahkan 200,000 tan pada tahun 2025.
Dengan penggunaan CFRP yang semakin meningkat, semakin banyak sisa dihasilkan dalam proses pemprosesan, penggunaan dan sisa. Contohnya, teknologi kuasa angin telah dipromosikan dengan pantas dalam beberapa tahun kebelakangan ini, tetapi hayat perkhidmatan bilah hanya 20-30 tahun. Menjelang 2030, bilah kuasa angin CFRP yang dibuang akan mencecah puluhan ribu tan setahun. Dalam sektor penerbangan awam, hampir 8,500 pesawat di seluruh dunia akan dibersarakan menjelang 2025, dan kitar semula sisa CFRP daripada badan mereka adalah satu cabaran. Dengan peningkatan kesedaran alam sekitar orang ramai, undang-undang dan peraturan alam sekitar yang berkaitan bagi pelupusan sisa CFRP menjadi semakin ketat. Cara mengitar semula gentian karbon dengan cekap untuk dikitar semula telah menjadi isu hangat pada masa ini.
Resin yang digunakan dalam pemprosesan CFRP dibahagikan kepada resin termoplastik dan resin termoset. Kaedah pemulihan komposit matriks resin termoplastik adalah mudah, tetapi kelikatan resin termoplastik dalam proses lebur adalah tinggi, lekatan resin pada permukaan gentian adalah lemah, dan sifat antara muka bahan komposit adalah lemah, yang menjejaskan prestasi. daripada produk. Pada masa ini, matriks CFRP ialah resin termoset terutamanya, seperti resin tak tepu, resin fenolik, dan resin epoksi. Selepas pengawetan, resin termoset akan membentuk struktur bersilang rangkaian tiga dimensi, yang boleh meningkatkan sifat fizikal CFRP berbanding dengan resin termoplastik.
Teknologi pemulihan CFRP
CFRP tidak boleh terdegradasi secara semula jadi, insinerasi atau tapak pelupusan adalah kaedah rawatan awal, tetapi pembakaran sisa CFRP akan menghasilkan sejumlah besar gas toksik dan berbahaya, dan menjejaskan persekitaran semula jadi, pada masa yang sama, sisa pembakaran tapak pelupusan juga akan menyebabkan tanah. pencemaran sekunder; Rawatan tapak pelupusan sisa CFRP akan mencemarkan tanah dan menduduki sejumlah besar sumber tanah. Kertas kerja ini terutamanya memperkenalkan aplikasi kaedah pemulihan mekanikal, kaedah pemulihan haba, dan kaedah pemulihan pelarut dalam pemulihan CFRP, dan menerangkan tentang cabaran dan prospek setiap kaedah dalam aplikasi praktikal.
(1) Kaedah pemulihan mekanikal. Kaedah pemulihan mekanikal adalah untuk menggulung dan mengisar sisa CFRP di bawah tindakan daya mekanikal supaya serat karbon dilucutkan daripada matriks resin, zarah resin dan serat karbon pendek boleh diperolehi selepas rawatan. Serat potong skala milimeter boleh digunakan sebagai pengisi bangunan, dan serat potong skala mikron boleh digunakan sebagai pengisi campuran plastik acuan lembaran, plastik acuan blok atau termoplastik. Kaedah pemulihan mekanikal mempunyai kelebihan proses yang mudah dan kos pelaburan yang rendah. Ia tidak menghasilkan pencemaran alam sekitar yang baru semasa memulihkan gentian dan resin. Walau bagaimanapun, daya mekanikal menyebabkan kerosakan pada gentian semasa proses pemisahan resin dan gentian, dan kadar pengekalan prestasi gentian adalah rendah.
(2) Kaedah pemulihan haba. Mengikut laluan proses yang berbeza, kaedah pemulihan haba boleh dibahagikan kepada kaedah penguraian terma suhu tinggi, kaedah penguraian haba katil terbendalir, dan kaedah penguraian haba gelombang mikro. Prinsipnya adalah untuk menguraikan resin menjadi sebatian molekul kecil di bawah tindakan tenaga haba.
① Kaedah penguraian terma suhu tinggi. Pertama, sisa CFRP dijadikan serpihan di bawah tindakan daya mekanikal. Serpihan dipanaskan hingga 600±200 darjah di bawah atmosfera gas lengai, dan resin diuraikan menjadi minyak pirolisis molekul rendah dan gas pirolisis di bawah keadaan tiada oksigen. Gas pirolisis terutamanya terdiri daripada karbon dioksida, hidrogen, dan metana. Kemudian menyuntik jumlah oksigen yang sesuai ke dalam sistem, supaya pembakaran mudah terbakar molekul rendah, haba yang dijana pembakaran terus menyediakan tenaga haba untuk sistem. Oksigen dalam sistem masuk memerlukan kawalan kuantitatif yang tepat. Pengambilan oksigen yang berlebihan akan meningkatkan risiko letupan sistem. Sementara itu, ia juga akan menyebabkan pengoksidaan gentian karbon kitar semula dan mengurangkan sifat mekanikal gentian tersebut. Pengambilan oksigen terlalu rendah, dan sisa resin dan minyak pirolitik pada permukaan gentian tidak boleh dikeluarkan sepenuhnya, yang menjejaskan kemasan gentian. Suhu pirolisis suhu tinggi bergantung kepada jenis resin. Secara amnya, resin poliester boleh terurai pada suhu yang lebih rendah, manakala resin epoksi perlu terurai pada suhu yang lebih tinggi. Oleh kerana operasi yang mudah dan pemulihan yang tinggi, kaedah penguraian terma suhu tinggi telah digunakan dalam industri. Selepas rawatan penguraian haba suhu tinggi, permukaan licin serat karbon pendek boleh diperolehi, tetapi selepas rawatan gentian akan berlaku tahap pengoksidaan yang berbeza, dan permukaan gentian kadang-kadang pemendapan karbon, menjejaskan sifat mekanikal. daripada serat.
② Kaedah penguraian haba katil terbendalir. Proses pemulihan CFRP melalui penguraian haba katil terbendalir ditunjukkan dalam Rajah 1. Bahan komposit diimport daripada bahan buangan dan ditambah ke dalam katil terbendalir. Resin dalam bahan komposit diuraikan pada suhu tinggi dalam medan aliran udara panas, dan gas pirolisis yang terurai diteruskan sebagai tenaga haba sistem melalui pembakaran. Selepas penguraian terma, serat karbon dan zarah resin diperoleh semula dalam pemisah siklon. Aliran haba membawa gentian pulih ke tangki gentian, manakala bahan refraktori dibiarkan di bahagian bawah katil terbendalir. CFRP yang diproses oleh pirolisis katil terbendalir biasanya bersaiz 2 ~ 3cm², yang boleh terus disalurkan ke katil terbendalir untuk mencapai pengeluaran berterusan, dan gentian karbon pendek boleh diperolehi dengan mengitar semula. Geseran antara dinding dalam pemisah siklon dan batu kelikir yang terikat gas di dalam katil terbendalir dan gentian akan menyebabkan beberapa kerosakan mekanikal, jadi kekuatan tegangan gentian selepas rawatan ini akan berkurangan kira-kira 1/4.
③ Kaedah penguraian haba gelombang mikro. CFRP diletakkan dalam medan penyinaran gelombang mikro, dan resin dipanaskan oleh gelombang mikro untuk merosot kepada sebatian molekul kecil. Kaedah penguraian haba gelombang mikro dengan berkesan boleh memendekkan masa yang diperlukan untuk pemulihan gentian karbon, bilangan peralatan agak kecil, dan operasi prosesnya mudah.
(3) kaedah pemulihan pelarut. Kaedah pemulihan pelarut merujuk kepada resin dalam sisa CFRP dalam pelarut merosot menjadi bahan larut, melalui degradasi dan pembubaran resin untuk mencapai pemisahan serat dan resin, serat karbon selepas mencuci, dan pengeringan untuk memulihkan serat. Kaedah pemulihan pelarut secara amnya dibahagikan kepada kaedah pelarut biasa di bawah tekanan normal dan kaedah pelarut superkritikal di bawah tekanan tinggi.
① Kaedah pelarut biasa. Kaedah pelarut biasa menggunakan asid nitrik dan alkohol sebagai pelarut tindak balas resin degradasi di bawah tekanan atmosfera, yang mudah dalam operasi dan rendah dalam kos input peralatan. Gentian yang dipulihkan pada asasnya mengekalkan panjang gentian asal dan boleh digunakan semula sebagai gentian panjang dalam bahan komposit. Walau bagaimanapun, masa degradasi resin dalam pelarut lebih lama, dan rawatan sisa pelarut selepas digunakan adalah sukar, yang meningkatkan kos pemulihan dan mudah menyebabkan pencemaran alam sekitar. Mengikut proses pembentukan yang berbeza bagi bahan komposit, resin yang digunakan adalah berbeza, dan proses yang digunakan adalah berbeza.
② Kaedah pelarut superkritikal. Apabila suhu dan tekanan sesuatu bahan melebihi suhu dan tekanan kritikal tertentu, keadaan khas kebolehmampatan tinggi, keterlarutan tinggi, kebolehtelapan tinggi, keresapan tinggi, ketumpatan rendah, dan kelikatan rendah dipanggil "keadaan superkritikal", dan pelarut dalam ini keadaan dipanggil "pelarut superkritikal". Resin sisa CFRP telah didegradasi oleh pelarut superkritikal dengan keterlarutan tinggi dan kebolehtelapan tinggi bahan polimer, dan tujuan pemulihan gentian karbon telah direalisasikan. Menggunakan kaedah kitar semula ini, permukaan gentian licin, gentian mengekalkan panjang asal, prestasi gentian tinggi, proses kitar semula tidak menghasilkan pencemaran baru, perlindungan alam sekitar hijau. Walau bagaimanapun, penggunaan kaedah ini memerlukan pelaburan yang besar dalam peralatan dan keadaan proses yang keras, dan ia masih dalam peringkat makmal buat sementara waktu dan belum diubah menjadi industri.
Jangkaan
Dengan kemajuan teknologi pengeluaran gentian karbon, pengeluaran gentian karbon meningkat pada masa yang sama kos pengeluaran dikurangkan secara beransur-ansur, aplikasinya dalam pelbagai bidang akan terus meningkat, dan pemulihan dan penggunaan semula CFRP telah menjadi masalah yang menonjol yang menyekat penggunaan karbon yang meluas. serat.
