Информация о материале
Углеродное волокно — это разновидность высокопрочного, высокомодульного, мягкого и поддающегося механической обработке волокнистого материала с превосходными физическими и химическими свойствами. Полимер/пластик, армированный углеродным волокном, углепластик широко используется в энергетике, аэрокосмической, военной технике, железнодорожном транспорте и спортивных товарах. Мировой спрос на углеродное волокно достиг 107 000 тонн в 2020 году и продолжает расти. В «Отчете о мировом рынке композитов из углеродного волокна за 2020 год» Гуанчжоу Сайо прогнозируется, что мировой спрос на углеродное волокно превысит 200 000 тонн в 2025 году.
С ростом применения углепластика в процессе обработки, использования и отходов образуется все больше и больше отходов. Например, в последние годы быстро продвигается технология ветроэнергетики, но срок службы лопастей составляет всего 20-30 лет. К 2030 году выбрасываемые лопасти ветроэнергетики из углепластика достигнут десятков тысяч тонн в год. В секторе гражданской авиации к 2025 году будет выведено из эксплуатации около 8500 самолетов по всему миру, и утилизация отходов углепластика из их корпусов является сложной задачей. С улучшением экологической осведомленности людей соответствующие экологические законы и правила утилизации отходов углепластика становятся все более и более строгими. Вопрос о том, как эффективно перерабатывать углеродное волокно для вторичной переработки, в настоящее время стал актуальным.
Смола, используемая при обработке углепластика, делится на термопластичную смолу и термореактивную смолу. Метод восстановления композитов с матрицей термопластичной смолы прост, но вязкость термопластичной смолы в процессе плавления высока, адгезия смолы к поверхности волокна плохая, а свойства поверхности раздела композитного материала плохие, что влияет на производительность. продуктов. В настоящее время матрица CFRP представляет собой в основном термореактивную смолу, такую как ненасыщенная смола, фенольная смола и эпоксидная смола. После отверждения термореактивная смола образует трехмерную сетчатую сшитую структуру, которая может улучшить физические свойства углепластика по сравнению с термопластичной смолой.
Технология восстановления углепластика
Углепластик не может разлагаться естественным путем, сжигание или захоронение на свалке - это ранний метод обработки, но сжигание отходов углепластика будет производить большое количество токсичных и вредных газов и влиять на окружающую среду, в то же время остатки отходов сжигания на свалке также вызовут загрязнение вторичное загрязнение; Переработка отходов углепластика на полигонах загрязняет почву и занимает большое количество земельных ресурсов. Эта статья в основном знакомит с применением метода механического восстановления, метода восстановления тепла и метода восстановления растворителем при извлечении углепластика, а также описывает проблемы и перспективы каждого метода в практическом применении.
(1) Метод механического восстановления. Метод механического восстановления заключается в прокатке и измельчении отходов углепластика под действием механической силы, чтобы углеродное волокно отделялось от матрицы смолы, после обработки можно было получить частицы смолы и короткое углеродное волокно. Волокно с миллиметровой нарезкой можно использовать в качестве строительного наполнителя, а волокно с микронной нарезкой можно использовать в качестве смесевого наполнителя листового формовочного пластика, блочного формовочного пластика или термопластика. Метод механического извлечения имеет преимущества простого процесса и низких инвестиционных затрат. Он не производит нового загрязнения окружающей среды при восстановлении волокна и смолы. Однако механическая сила вызывает повреждение волокна в процессе разделения смолы и волокна, и скорость сохранения характеристик волокна низкая.
(2) Метод рекуперации тепла. В соответствии с различными технологическими маршрутами метод рекуперации тепла можно разделить на метод высокотемпературного термического разложения, метод термического разложения в псевдоожиженном слое и метод термического разложения в микроволновой печи. Принцип заключается в разложении смолы на мелкие молекулярные соединения под действием тепловой энергии.
① Метод высокотемпературного термического разложения. Во-первых, отходы углепластика распадаются на фрагменты под действием механической силы. Фрагменты нагревают до 600±200 градусов в атмосфере инертного газа, и смола разлагается на низкомолекулярное пиролизное масло и пиролизный газ в условиях отсутствия кислорода. Пиролизный газ в основном состоит из двуокиси углерода, водорода и метана. Затем вводят в систему соответствующее количество кислорода, чтобы низкомолекулярное горючее горючее, выделяемое при сгорании тепло продолжало обеспечивать тепловую энергию для системы. Кислород в поступающей системе нуждается в точном количественном контроле. Чрезмерное потребление кислорода увеличивает риск взрыва системы. Между тем, это также вызовет перекисное окисление переработанного углеродного волокна и ухудшит механические свойства волокна. Потребление кислорода слишком низкое, и остаточная смола и пиролитическое масло на поверхности волокна не могут быть полностью удалены, что влияет на отделку волокна. Температура высокотемпературного пиролиза зависит от типа смолы. Как правило, полиэфирная смола может разлагаться при более низкой температуре, тогда как эпоксидная смола должна разлагаться при более высокой температуре. Из-за простоты эксплуатации и высокого извлечения метод высокотемпературного термического разложения применяется в промышленности. После обработки высокотемпературным термическим разложением можно получить гладкую поверхность короткого углеродного волокна, но после обработки волокна будут происходить различные степени окисления, а на поверхности волокна время от времени происходит отложение углерода, влияющее на механические свойства. волокна.
② Метод термического разложения в псевдоожиженном слое. Процесс восстановления углепластика путем термического разложения в псевдоожиженном слое показан на рисунке 1. Композитный материал импортируется из отходов и добавляется в псевдоожиженный слой. Смола в композиционном материале разлагается при высоких температурах в поле потока горячего воздуха, а разложившийся пиролизный газ продолжается в виде тепловой энергии системы за счет сгорания. После термического разложения углеродное волокно и частицы смолы извлекаются в циклонном сепараторе. Тепловой поток переносит восстановленное волокно в резервуар для волокна, в то время как огнеупорный материал остается на дне псевдоожиженного слоя. Углепластик, обработанный пиролизом в псевдоожиженном слое, обычно имеет размер 2 ~ 3 см², который может непрерывно подаваться в псевдоожиженный слой для обеспечения непрерывного производства, а короткое углеродное волокно может быть получено путем переработки. Трение между внутренней стенкой циклонного сепаратора и газосвязанным гравием в псевдоожиженном слое и волокном вызовет некоторое механическое повреждение, поэтому прочность волокна на растяжение после такой обработки снизится примерно на 1/4.
③ Метод термического разложения в микроволновой печи. Углепластик был помещен в поле микроволнового излучения, и смола была нагрета микроволновым излучением для разложения на низкомолекулярные соединения. Метод микроволнового термического разложения может эффективно сократить время, необходимое для извлечения углеродного волокна, количество оборудования относительно невелико, а технологический процесс прост.
(3) метод восстановления растворителя. Метод восстановления растворителя относится к смоле в отходах углепластика в растворителе, превращающейся в растворимые вещества путем разложения и растворения смолы для разделения волокна и смолы, углеродного волокна после промывки и сушки для восстановления волокна. Методы регенерации растворителя обычно делятся на методы с обычным растворителем при нормальном давлении и метод со сверхкритическим растворителем при высоком давлении.
① Метод обычного растворителя. В обычном методе с растворителем азотная кислота и спирт используются в качестве растворителя для реакции разложения смолы при атмосферном давлении, что является простым в эксплуатации и низкими затратами на оборудование. Восстановленное волокно в основном сохраняет первоначальную длину волокна и может снова использоваться в качестве длинного волокна в композитных материалах. Однако время разложения смолы в растворителе больше, а обработка отработанного растворителя после использования затруднена, что увеличивает стоимость восстановления и легко вызывает загрязнение окружающей среды. В соответствии с различными процессами формирования композитного материала используются разные смолы и разные процессы.
② Метод сверхкритического растворителя. Когда температура и давление вещества превышают определенную критическую температуру и давление, особое состояние высокой сжимаемости, высокой растворимости, высокой проницаемости, высокой диффузии, низкой плотности и низкой вязкости называется «сверхкритическим состоянием», а растворитель в этом состояние называется «сверхкритическим растворителем». Смола отходов углепластика была разложена сверхкритическим растворителем с высокой растворимостью и высокой проницаемостью полимерных материалов, и цель извлечения углеродного волокна была реализована. Используя этот метод переработки, поверхность волокна гладкая, волокно сохраняет первоначальную длину, производительность волокна высока, процесс переработки не приводит к новым загрязнениям, зеленой защите окружающей среды. Однако применение этого метода требует больших капиталовложений в оборудование и жестких условий процесса, и пока он временно находится в лабораторной стадии и не трансформировался в промышленную.
Ожидание
С развитием технологии производства углеродного волокна производство углеродного волокна увеличивается, в то время как стоимость производства постепенно снижается, его применение в различных областях будет продолжать расти, а извлечение и повторное использование углепластика стали серьезной проблемой, ограничивающей широкое применение углерода. волокно.
