Công nghệ tái chế composite sợi carbon: Dẫn đầu kỷ nguyên tái chế vật liệu mới
Nov 05, 2024
Vật liệu tổng hợp sợi carbon (CFRP) đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và năng lượng gió vì các đặc tính tuyệt vời của chúng, như chống ăn mòn, chống mỏi, cường độ riêng cao và mô đun riêng và khả năng thiết kế tốt. Tuy nhiên, một lượng lớn chất thải từ vật liệu composite sợi carbon nhiệt rắn không chỉ chiếm đất công nghiệp mà còn gây ô nhiễm môi trường nên công nghệ tái chế của nó đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong và ngoài nước.
1. Công nghệ tái chế vật liệu composite sợi carbon
Vật liệu tổng hợp sợi carbon (CFRP) đã được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và năng lượng gió vì các đặc tính tuyệt vời của chúng, như chống ăn mòn, chống mỏi, cường độ riêng cao và mô đun riêng và khả năng thiết kế tốt. Tuy nhiên, một lượng lớn chất thải từ vật liệu composite sợi carbon nhiệt rắn không chỉ chiếm đất công nghiệp mà còn gây ô nhiễm môi trường nên công nghệ tái chế của nó đã trở thành điểm nóng nghiên cứu trong và ngoài nước.
Công nghệ thu hồi CFRP chủ yếu được chia thành thu hồi cơ học, thu hồi nhiệt phân, thu hồi hóa học và một số loại phương pháp thu hồi khác. Sự phát triển, ưu điểm và nhược điểm của công nghệ tái chế CFRP được thể hiện trong Hình 1.
2.CF Chính sách khai hoang mới
Ngoài chất thải CFRP, một loại chất thải phổ biến khác là sợi khô được tạo ra ở giai đoạn sản xuất. Những sợi thải này chủ yếu đến từ phế liệu, đầu suốt và các mép phân phối một phần. Người ta ước tính rằng sợi khô chiếm khoảng 40% tổng lượng chất thải CF. Vì chúng chưa được nhúng vào bất kỳ nền polyme nào nên sợi khô có các đặc tính tương tự như vCF. Do việc sản xuất lượng lớn chất thải có giá trị này, các nhà nghiên cứu đang tích cực nỗ lực phát triển các chiến lược tái chế mới, bao gồm nhưng không giới hạn ở việc kéo sợi CF thành sợi, sản xuất vải không dệt và sử dụng hỗn hợp CF tái chế và CF tự nhiên để sản xuất vải không dệt. - vải prepreg uốn.
1) Sợi pha dựa trên rCF
Trong điều kiện khung cụ thể, vật liệu được làm nóng đến 280 độ C và giữ trong 30 phút để chuẩn bị thành công vật liệu composite cần thiết. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bước trộn không khí trong quy trình trộn cải thiện hiệu quả độ đồng đều của cúi và sợi. Tuy nhiên, quá trình trộn này cũng gây ra thiệt hại đáng kể hơn cho sợi carbon (CF), do chiều dài tổng thể của CF trong sợi bị giảm. Phân tích chuyên sâu về tính chất cơ học của sợi cho thấy sợi không có không khí trộn có độ bền cao hơn, chủ yếu là do giảm số lượng sợi bị đứt và bảo toàn được chiều dài sợi tổng thể trong quá trình chuẩn bị. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy độ dài ban đầu của sợi có ảnh hưởng xấu đến tính chất của sợi, vì nó liên quan trực tiếp đến độ dài cuối cùng của sợi sau khi xử lý trong cấu trúc sợi. Cụ thể, sợi được chuẩn bị với CF 80 mm có chiều dài sợi trung bình dài nhất, mang lại cho chúng độ bền vượt trội. Tương tự, hỗn hợp một chiều (UD) được làm từ 80 mm CF và PA6 có độ bền kéo lên tới 800 mpa, đây là hiệu suất tốt nhất trong loại sợi đã chuẩn bị sẵn.
Hengstermann và cộng sự. đã nghiên cứu sâu ảnh hưởng của chiều dài sợi ban đầu và tỷ lệ pha trộn đến tính chất và đặc tính của sợi sau khi chải thô. Bằng cách điều chỉnh các thông số của máy chải, trong đó có khoảng cách giữa các con lăn chải và cỡ kim, họ đã trộn thủ công các sợi CF và PA6 thành hai chiều dài 40 mm và 60 mm theo tỷ lệ thể tích 30%, 50% và 70. %. Sau khi chải thô, lưới sợi CF/PA6 sẽ được trải qua một quy trình như kết hợp và kéo sợi bằng tuabin bay để cuối cùng tạo ra sợi hỗn hợp. Trong quá trình xử lý, cũng cần phải tinh chỉnh các thông số kéo dài và kéo sợi, chẳng hạn như tốc độ cấp liệu, tỷ lệ kéo sợi, vật liệu con lăn và số vòng xoắn, để giảm khả năng hư hỏng CF. Kết quả cho thấy cả chiều dài sợi ban đầu và hàm lượng CF đều có tác động đáng kể đến các đặc tính cuối cùng của lưới chải thô, cúi và sợi. Sợi được làm bằng CF dài hơn có độ liên kết tốt hơn, độ xù lông thấp hơn, độ bền cao hơn và độ giãn dài thấp hơn so với sợi được làm bằng CF 40 mm.
Điều này chủ yếu là do các sợi dài hơn dễ dàng được căn chỉnh hơn trong quá trình chải thô và mức độ hư hỏng và mất mát thấp hơn. Ngoài ra, sự hiện diện của CF dài hơn trong sợi và sự gia tăng thể tích PA6 thúc đẩy sự kết dính giữa các xơ và cải thiện chất lượng kéo sợi cúi. Người ta cũng nhận thấy rằng hướng của CF trong sợi, chiều dài của CF và độ xoắn của sợi có tác động tích cực đến độ bền kéo cuối cùng của composite UD. Nhìn chung, chiều dài sợi và độ săn của sợi có mối quan hệ nghịch đảo với độ bền tổng thể của hỗn hợp đã phát triển, chủ yếu là do ảnh hưởng của chúng đến hàm lượng CF cuối cùng và chiều dài của hỗn hợp, cũng như sự điều chỉnh độ xuyên thấu của polyme trong quá trình ép nóng.
Hình 2: Quy trình chải thô để chuẩn bị hỗn hợp rCF/PA6
Để giảm thêm thiệt hại cho sợi carbon (CF) trong quá trình kéo sợi, Xiao et al. báo cáo sự phát triển của tấm nhựa nhiệt dẻo gia cố bằng sợi carbon (CWT) có lưới có chốt có thể được áp dụng trực tiếp vào quy trình Khảm. Chiến lược này bao gồm việc trộn chất thải CF có chiều dài 60 mm với sợi polyamit (PA) có cấu trúc lõi-vỏ, trong đó lớp vỏ bao gồm chất đồng trùng hợp polyamit 6 (PA6) -polyetylen (nhiệt độ nóng chảy 136 độ C) và vật liệu lõi là polyamit 66 (PA66). Trong quá trình trộn, hỗn hợp sợi CF và PA được chia theo tỷ lệ thể tích CF là 20%, 30% và 40%, sau đó được chải kỹ để tạo thành mạng lưới chải kỹ. Ở 110 độ C, lưới chải thô được ổn định bằng quá trình kéo và cán, trong đó lớp ngoài của sợi PA ma trận được nấu chảy để tạo thành một cấu trúc kết dính nhất định trong lưới sợi và cuối cùng là tấm CWT được tạo ra. Đáng chú ý, quá trình kéo giãn (30-60%) đóng vai trò quan trọng trong việc căn chỉnh tốt hơn CF sợi ngắn trong tấm CW-T. Trong điều kiện áp suất 280 độ và 5-9 MPa, tấm đã phát triển được sử dụng để tạo tấm bằng phương pháp tạo hình nén. Mô đun kéo của tấm nén cao tới 45,6 GPa. Việc tăng hàm lượng CF trong CWT giúp cải thiện độ bền kéo và mức mô đun, đồng thời việc tăng tỷ lệ kéo cũng giúp cải thiện độ bền kéo của dọc chính.
2) Các sản phẩm không dệt và prereg dựa trên RCF
Một cách hiệu quả khác để tái chế sợi carbon thải là ứng dụng vào sản xuất lưới vải không dệt, điều này cho thấy tiềm năng rất lớn trong việc tái chế sợi carbon thải thành các sản phẩm có giá trị gia tăng cao. EGL Carbon Fiber ở Anh đã công nghiệp hóa và tối ưu hóa thành công việc sản xuất nỉ không dệt rCF với công suất 250 tấn hàng năm cho nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp ô tô.
3.Kết luận và triển vọng tương lai
Trong bài báo này, các phương pháp tái chế composite gia cố bằng sợi carbon (CFRC) được xem xét chuyên sâu và các chiến lược xử lý chất thải sợi carbon tạo ra trong quá trình sản xuất khô. Trên cơ sở đó, công nghệ nhiệt phân và gia công đã thu hút nhiều sự chú ý do tiềm năng ứng dụng công nghiệp của nó. Tuy nhiên, nghiên cứu hiện tại vẫn cam kết cải thiện hiệu suất của sợi tái chế và cố gắng có được các đặc tính có thể gần giống với sợi carbon ban đầu.
Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào các khía cạnh sau: Thứ nhất, khám phá phương pháp mới sử dụng sợi tái chế để sản xuất vật liệu composite; Thứ hai là tối ưu hóa sự tương tác giao diện giữa sợi quang và ma trận. Thứ ba là liên tục cải tiến quy trình tái chế. Ngoài ra, việc phát triển các sản phẩm có giá trị gia tăng như vải không dệt, sợi lấy sợi tái chế làm nguyên liệu cũng là hướng đi chủ chốt trong tương lai. Để xử lý chất thải sợi carbon khô, việc phát triển sợi pha trộn và sản phẩm không dệt cho thấy triển vọng tốt, nhưng việc cải thiện tính chất cơ học của sản phẩm vẫn là một thách thức lớn.
Tóm lại, lĩnh vực tái chế các sản phẩm làm từ sợi carbon đang trong giai đoạn phát triển nhanh chóng và sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy hình thành phương pháp tiếp cận nền kinh tế tuần hoàn sợi công nghệ cao. Do đó, cần có nhiều nghiên cứu hơn trong tương lai để cải thiện chất lượng sợi và giảm tác động tiêu cực đến môi trường của quá trình tái chế.
Amy2289@jiutaimould.com
Điện thoại/Whatsapp
+8613506862289
Fax
+86-576-84217327
Địa chỉ
Số 23, đường Huiming, Khu công nghiệp phía Bắc, Hoàng Nham, Thái Châu, Chiết Giang, Trung Quốc