thông tin tài liệu
Sợi carbon là một loại vật liệu sợi có độ bền cao, mô đun cao, mềm và có thể gia công được với các đặc tính vật lý và hóa học tuyệt vời. Nhựa/Polyme Gia cố Sợi Carbon, CFRP đã được sử dụng rộng rãi trong các cơ sở năng lượng, hàng không vũ trụ, thiết bị quân sự, vận chuyển đường sắt và đồ thể thao. Nhu cầu toàn cầu về sợi carbon đạt 107,000 tấn vào năm 2020 và tiếp tục tăng. "Báo cáo thị trường vật liệu tổng hợp sợi carbon toàn cầu năm 2020" của Quảng Châu Saio dự đoán rằng nhu cầu sợi carbon toàn cầu sẽ vượt mức 200,000 tấn vào năm 2025.
Với ứng dụng ngày càng tăng của CFRP, ngày càng có nhiều chất thải được tạo ra trong quá trình xử lý, sử dụng và chất thải. Ví dụ, công nghệ năng lượng gió đã được thúc đẩy nhanh chóng trong những năm gần đây, nhưng tuổi thọ của cánh quạt chỉ là 20-30 năm. Đến năm 2030, các cánh quạt năng lượng gió CFRP bị loại bỏ sẽ lên tới hàng chục nghìn tấn mỗi năm. Trong lĩnh vực hàng không dân dụng, gần 8.500 máy bay trên toàn thế giới sẽ ngừng hoạt động vào năm 2025 và việc tái chế chất thải CFRP từ thân máy bay là một thách thức. Với việc nâng cao nhận thức về môi trường của mọi người, các luật và quy định về môi trường liên quan đến xử lý chất thải CFRP ngày càng trở nên nghiêm ngặt hơn. Làm thế nào để tái chế hiệu quả sợi carbon để tái chế đã trở thành một vấn đề nóng bỏng hiện nay.
Nhựa được sử dụng trong chế biến CFRP được chia thành nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt rắn. Phương pháp thu hồi vật liệu tổng hợp ma trận nhựa nhiệt dẻo rất đơn giản, nhưng độ nhớt của nhựa nhiệt dẻo trong quá trình nóng chảy cao, độ bám dính của nhựa trên bề mặt sợi kém và đặc tính giao diện của vật liệu composite kém, ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm. Hiện tại, ma trận CFRP chủ yếu là nhựa nhiệt rắn, chẳng hạn như nhựa chưa bão hòa, nhựa phenolic và nhựa epoxy. Sau khi đóng rắn, nhựa nhiệt rắn sẽ tạo thành cấu trúc liên kết ngang mạng ba chiều, có thể cải thiện các tính chất vật lý của CFRP so với nhựa nhiệt dẻo.
Công nghệ phục hồi CFRP
CFRP không thể bị phân hủy một cách tự nhiên, đốt hoặc chôn lấp là phương pháp xử lý ban đầu, nhưng đốt chất thải CFRP sẽ tạo ra một lượng lớn khí độc và có hại, ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên, đồng thời, chất thải đốt từ bãi chôn lấp cũng sẽ gây ô nhiễm đất. ô nhiễm thứ cấp; Xử lý chôn lấp chất thải CFRP sẽ gây ô nhiễm đất và chiếm một lượng lớn tài nguyên đất. Bài báo này chủ yếu giới thiệu ứng dụng của phương pháp thu hồi cơ học, phương pháp thu hồi nhiệt và phương pháp thu hồi dung môi trong thu hồi CFRP, đồng thời giải thích những thách thức và triển vọng của từng phương pháp trong ứng dụng thực tế.
(1) Phương pháp phục hồi cơ học. Phương pháp thu hồi cơ học là cuộn và nghiền chất thải CFRP dưới tác dụng của lực cơ học để sợi carbon được tách ra khỏi ma trận nhựa, các hạt nhựa và sợi carbon ngắn có thể thu được sau khi xử lý. Sợi cắt theo tỷ lệ milimet có thể được sử dụng làm chất độn xây dựng và sợi cắt theo tỷ lệ micron có thể được sử dụng làm chất độn hỗn hợp của nhựa đúc tấm, nhựa đúc khối hoặc nhựa nhiệt dẻo. Phương pháp thu hồi cơ giới có ưu điểm là quy trình đơn giản, chi phí đầu tư thấp. Nó không tạo ra ô nhiễm môi trường mới trong khi thu hồi sợi và nhựa. Tuy nhiên, lực cơ học gây ra thiệt hại cho sợi trong quá trình tách nhựa và sợi, và tỷ lệ duy trì hiệu suất của sợi thấp.
(2) Phương pháp hồi nhiệt. Theo các lộ trình quy trình khác nhau, phương pháp thu hồi nhiệt có thể được chia thành phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao, phương pháp phân hủy nhiệt tầng sôi và phương pháp phân hủy nhiệt vi sóng. Nguyên tắc là phân hủy nhựa thành các hợp chất phân tử nhỏ dưới tác dụng của năng lượng nhiệt.
① Phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao. Thứ nhất, chất thải CFRP được tạo thành các mảnh dưới tác động của lực cơ học. Các mảnh vỡ được nung nóng đến 600 ± 200 độ trong môi trường khí trơ và nhựa được phân hủy thành dầu nhiệt phân phân tử thấp và khí nhiệt phân trong điều kiện không có oxy. Khí nhiệt phân chủ yếu bao gồm carbon dioxide, hydro và metan. Sau đó bơm một lượng oxy thích hợp vào hệ thống, để quá trình đốt cháy phân tử thấp, quá trình đốt cháy tạo ra nhiệt tiếp tục cung cấp năng lượng nhiệt cho hệ thống. Oxy trong hệ thống đến cần được kiểm soát định lượng chính xác. Lượng oxy nạp vào quá nhiều sẽ làm tăng nguy cơ nổ hệ thống. Đồng thời, nó cũng sẽ gây ra hiện tượng peroxy hóa sợi carbon tái chế và làm giảm tính chất cơ học của sợi. Lượng oxy đưa vào quá thấp, không thể loại bỏ hoàn toàn nhựa và dầu nhiệt phân còn sót lại trên bề mặt sợi, điều này ảnh hưởng đến lớp hoàn thiện của sợi. Nhiệt độ nhiệt phân cao phụ thuộc vào loại nhựa. Nói chung, nhựa polyester có thể phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn, trong khi nhựa epoxy cần phân hủy ở nhiệt độ cao hơn. Do hoạt động đơn giản và thu hồi cao, phương pháp phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao đã được áp dụng trong công nghiệp. Sau khi xử lý phân hủy nhiệt ở nhiệt độ cao, có thể thu được bề mặt mịn của sợi carbon ngắn, nhưng sau khi xử lý sợi sẽ xảy ra các mức độ oxy hóa khác nhau và bề mặt của sợi thỉnh thoảng lắng đọng carbon, ảnh hưởng đến tính chất cơ học của sợi.
② Phương pháp phân hủy nhiệt tầng sôi. Quá trình thu hồi CFRP bằng phân hủy nhiệt tầng sôi được thể hiện trong Hình 1. Vật liệu composite được nhập từ vật liệu phế thải và được thêm vào tầng sôi. Nhựa trong vật liệu composite bị phân hủy ở nhiệt độ cao trong trường luồng không khí nóng và khí nhiệt phân bị phân hủy tiếp tục là năng lượng nhiệt của hệ thống thông qua quá trình đốt cháy. Sau khi phân hủy nhiệt, sợi carbon và các hạt nhựa được thu hồi trong thiết bị tách lốc xoáy. Dòng nhiệt đưa sợi thu hồi đến bể chứa sợi, trong khi vật liệu chịu lửa được để lại ở đáy tầng sôi. CFRP được xử lý bằng nhiệt phân tầng sôi thường có kích thước 2 ~ 3cm², có thể được đưa liên tục vào tầng sôi để đạt được sản xuất liên tục và có thể thu được sợi carbon ngắn bằng cách tái chế. Ma sát giữa thành trong của thiết bị tách lốc xoáy và sỏi liên kết khí trong tầng sôi và sợi sẽ gây ra một số hư hỏng cơ học, do đó độ bền kéo của sợi sau quá trình xử lý này sẽ giảm khoảng 1/4.
③ Phương pháp phân hủy bằng nhiệt vi sóng. CFRP được đặt trong trường chiếu xạ vi sóng và nhựa được làm nóng bằng lò vi sóng để phân hủy thành các hợp chất phân tử nhỏ. Phương pháp phân hủy nhiệt vi sóng có thể rút ngắn thời gian cần thiết để thu hồi sợi carbon một cách hiệu quả, số lượng thiết bị tương đối ít và quy trình vận hành đơn giản.
(3) phương pháp thu hồi dung môi. Phương pháp thu hồi dung môi đề cập đến nhựa trong chất thải CFRP trong dung môi phân hủy thành các chất hòa tan, thông qua quá trình phân hủy và hòa tan nhựa để tách sợi và nhựa, sợi carbon sau khi rửa và sấy khô để thu hồi sợi. Phương pháp thu hồi dung môi thường được chia thành phương pháp dung môi thông thường dưới áp suất bình thường và phương pháp dung môi siêu tới hạn dưới áp suất cao.
① Phương pháp dung môi thông thường. Phương pháp dung môi phổ biến sử dụng axit nitric và rượu làm dung môi phản ứng của nhựa phân hủy dưới áp suất khí quyển, vận hành đơn giản và chi phí đầu vào thiết bị thấp. Sợi thu hồi về cơ bản duy trì chiều dài sợi ban đầu và có thể được sử dụng lại dưới dạng sợi dài trong vật liệu composite. Tuy nhiên, thời gian phân hủy của nhựa trong dung môi dài hơn, việc xử lý dung môi thải ra sau sử dụng gặp nhiều khó khăn, làm tăng chi phí thu hồi và dễ gây ô nhiễm môi trường. Theo các quá trình hình thành khác nhau của vật liệu composite, nhựa được sử dụng là khác nhau và quy trình được sử dụng là khác nhau.
② Phương pháp dung môi siêu tới hạn. Khi nhiệt độ và áp suất của một chất vượt quá một nhiệt độ và áp suất tới hạn nhất định, trạng thái đặc biệt có độ nén cao, độ hòa tan cao, độ thấm cao, độ khuếch tán cao, mật độ thấp và độ nhớt thấp được gọi là "trạng thái siêu tới hạn" và dung môi trong đó trạng thái được gọi là "dung môi siêu tới hạn". Nhựa phế thải CFRP đã bị phân hủy bởi dung môi siêu tới hạn có độ hòa tan cao và tính thấm cao của vật liệu polymer, và mục đích thu hồi sợi carbon đã được thực hiện. Sử dụng phương pháp tái chế này, bề mặt sợi mịn, sợi duy trì độ dài ban đầu, hiệu suất sợi cao, quá trình tái chế không tạo ra ô nhiễm mới, bảo vệ môi trường xanh. Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi đầu tư lớn về thiết bị và điều kiện xử lý khắc nghiệt, tạm thời nó vẫn đang trong giai đoạn phòng thí nghiệm và chưa được chuyển đổi thành phương pháp công nghiệp.
Kỳ vọng
Với sự tiến bộ của công nghệ sản xuất sợi carbon, việc sản xuất sợi carbon tăng lên đồng thời với chi phí sản xuất giảm dần, ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau sẽ tiếp tục tăng lên, và việc thu hồi và tái sử dụng CFRP đã trở thành một vấn đề nổi bật hạn chế ứng dụng rộng rãi của carbon chất xơ.
