معلومات جوهرية
ألياف الكربون هي نوع من مواد الألياف عالية القوة وعالية المعامل والناعمة والقابلة للقطع مع خصائص فيزيائية وكيميائية ممتازة. البوليمر المقوى بالألياف الكربونية / البلاستيك ، يستخدم CFRP على نطاق واسع في مرافق الطاقة ، والفضاء ، والمعدات العسكرية ، وعبور السكك الحديدية ، والسلع الرياضية. بلغ الطلب العالمي على ألياف الكربون 107 ، 000 طنًا في عام 2020 ويستمر في النمو. توقع "تقرير السوق العالمي لمركبات ألياف الكربون لعام 2020" الصادر عن شركة Guangzhou Saio أن الطلب العالمي على ألياف الكربون سيتجاوز 200 طن 000 في عام 2025.
مع زيادة تطبيق CFRP ، يتم إنشاء المزيد والمزيد من النفايات في عملية المعالجة والاستخدام والنفايات. على سبيل المثال ، تم الترويج لتقنية طاقة الرياح بسرعة في السنوات الأخيرة ، ولكن عمر خدمة الشفرات هو 20-30 سنة فقط. بحلول عام 2030 ، ستصل الشفرات المهملة لطاقة الرياح المصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الكربون إلى عشرات الآلاف من الأطنان سنويًا. في قطاع الطيران المدني ، سيتم إيقاف ما يقرب من 8500 طائرة في جميع أنحاء العالم بحلول عام 2025 ، وتشكل إعادة تدوير نفايات البلاستيك المقوى بألياف الكربون من أجسامهم تحديًا. مع تحسين الوعي البيئي للناس ، أصبحت القوانين واللوائح البيئية ذات الصلة للتخلص من نفايات البلاستيك المقوى بألياف الكربون أكثر صرامة. أصبحت كيفية إعادة تدوير ألياف الكربون بكفاءة لإعادة التدوير قضية ساخنة في الوقت الحاضر.
ينقسم الراتنج المستخدم في معالجة CFRP إلى راتينج لدن بالحرارة وراتنج بالحرارة. طريقة الاسترداد لمركبات مصفوفة راتينج اللدائن الحرارية بسيطة ، لكن لزوجة راتينج اللدائن الحرارية في عملية الصهر عالية ، والتصاق الراتينج على سطح الألياف ضعيف ، وخاصية السطح البيني للمواد المركبة ضعيفة ، مما يؤثر على الأداء المنتجات. في الوقت الحاضر ، تعتبر مصفوفة CFRP عبارة عن راتينج بالحرارة بشكل أساسي ، مثل الراتينج غير المشبع ، وراتنج الفينول ، وراتنج الإيبوكسي. بعد المعالجة ، سيشكل راتينج التصلد بالحرارة بنية متقاطعة ثلاثية الأبعاد للشبكة ، والتي يمكن أن تحسن الخصائص الفيزيائية للبلاستيك المقوى بألياف الكربون مقارنة براتنج اللدائن الحرارية.
تقنية استرداد CFRP
لا يمكن أن يتحلل البلاستيك المقوى بألياف الكربون بشكل طبيعي ، فالحرق أو الطمر هو طريقة المعالجة المبكرة ، ولكن حرق نفايات البلاستيك المقوى بألياف الكربون سوف ينتج عددًا كبيرًا من الغازات السامة والضارة ، ويؤثر على البيئة الطبيعية ، وفي نفس الوقت ، سوف يتسبب حرق النفايات في التربة أيضًا تلوث ثانوي سوف تلوث معالجة مكبات النفايات المصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP) التربة وتحتل عددًا كبيرًا من موارد الأرض. يقدم هذا البحث بشكل أساسي تطبيق طريقة الاسترداد الميكانيكي ، وطريقة استرداد الحرارة ، وطريقة استرداد المذيبات في استرداد CFRP ، ويشرح التحديات والآفاق لكل طريقة في التطبيق العملي.
(1) طريقة الاسترداد الميكانيكية. طريقة الاستعادة الميكانيكية هي لف وطحن نفايات CFRP تحت تأثير القوة الميكانيكية بحيث يتم تجريد ألياف الكربون من مصفوفة الراتنج ويمكن الحصول على جزيئات الراتنج وألياف الكربون القصيرة بعد المعالجة. يمكن استخدام الألياف المقطوعة بمقياس المليمتر كمواد مالئة للبناء ، ويمكن استخدام الألياف المقطوعة بمقياس ميكرون كحشو مزيج من البلاستيك المشكل بالصفائح ، أو قوالب تشكيل البلاستيك ، أو البلاستيك الحراري. تتميز طريقة الاسترداد الميكانيكي بمزايا عملية بسيطة وتكلفة استثمار منخفضة. لا ينتج تلوثًا بيئيًا جديدًا أثناء استعادة الألياف والراتنج. ومع ذلك ، فإن القوة الميكانيكية تتسبب في تلف الألياف أثناء عملية فصل الراتنج والألياف ، ومعدل الاحتفاظ بأداء الألياف منخفض.
(2) طريقة استعادة الحرارة. وفقًا لطرق العملية المختلفة ، يمكن تقسيم طريقة استرداد الحرارة إلى طريقة التحلل الحراري بدرجة حرارة عالية ، وطريقة التحلل الحراري للطبقة المميعة ، وطريقة التحلل الحراري بالميكروويف. المبدأ هو تحلل الراتينج إلى مركبات جزيئية صغيرة تحت تأثير الطاقة الحرارية.
طريقة التحلل الحراري بدرجة حرارة عالية. أولاً ، يتم تحويل نفايات البلاستيك المقوى بألياف الكربون إلى شظايا بفعل القوة الميكانيكية. يتم تسخين الشظايا إلى 600 ± 200 درجة تحت جو الغاز الخامل ، ويتحلل الراتينج إلى زيت انحلال حراري جزيئي منخفض وغاز انحلال حراري في حالة عدم وجود أكسجين. يتكون غاز الانحلال الحراري بشكل أساسي من ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين والميثان. ثم قم بحقن كمية مناسبة من الأكسجين في النظام ، بحيث يستمر الاحتراق الجزيئي المنخفض القابل للاحتراق ، والحرارة المتولدة عن الاحتراق في توفير الطاقة الحرارية للنظام. يحتاج الأكسجين في النظام الوارد إلى تحكم كمي دقيق. سيؤدي تناول الأكسجين المفرط إلى زيادة خطر انفجار النظام. وفي الوقت نفسه ، سيؤدي أيضًا إلى أكسدة ألياف الكربون المعاد تدويرها وتقليل الخواص الميكانيكية للألياف. كمية الأكسجين المتناولة منخفضة جدًا ، ولا يمكن إزالة الراتينج المتبقي والزيت الحراري على سطح الألياف تمامًا ، مما يؤثر على تشطيب الألياف. تعتمد درجة حرارة الانحلال الحراري عالي الحرارة على نوع الراتينج. بشكل عام ، يمكن أن يتحلل راتنجات البوليستر عند درجة حرارة منخفضة ، بينما يحتاج راتنجات الايبوكسي إلى التحلل عند درجة حرارة أعلى. بسبب التشغيل البسيط والاسترداد العالي ، تم تطبيق طريقة التحلل الحراري ذات درجة الحرارة العالية في الصناعة. بعد معالجة التحلل الحراري بدرجة حرارة عالية ، يمكن الحصول على السطح الأملس لألياف الكربون القصيرة ، ولكن بعد معالجة الألياف ستحدث درجات مختلفة من الأكسدة ، وسطح الألياف أحيانًا يترسب الكربون ، مما يؤثر على الخواص الميكانيكية من الألياف.
طريقة التحلل الحراري للطبقة المميعة. تظهر عملية استعادة CFRP عن طريق التحلل الحراري للطبقة المميعة في الشكل 1. يتم استيراد المواد المركبة من مواد النفايات وإضافتها إلى الطبقة المميعة. يتحلل الراتنج الموجود في المادة المركبة عند درجات حرارة عالية في مجال تدفق الهواء الساخن ، ويستمر غاز الانحلال الحراري المتحلل كطاقة حرارية للنظام من خلال الاحتراق. بعد التحلل الحراري ، يتم استرداد جزيئات ألياف الكربون والراتنج في فاصل الإعصار. يأخذ التدفق الحراري الألياف المستعادة إلى خزان الألياف ، بينما تترك المادة المقاومة للحرارة في قاع الطبقة المميعة. يبلغ حجم CFRP المُعالج بواسطة الانحلال الحراري للطبقة المميعة بشكل عام 2 ~ 3 سم² ، والتي يمكن تغذيتها باستمرار إلى الطبقة المميعة لتحقيق الإنتاج المستمر ، ويمكن الحصول على ألياف الكربون القصيرة عن طريق إعادة التدوير. سيؤدي الاحتكاك بين الجدار الداخلي لفاصل الإعصار والحصى المرتبط بالغاز في الطبقة المميعة والألياف إلى بعض التلف الميكانيكي ، وبالتالي ستنخفض قوة شد الألياف بعد هذا العلاج بنحو 1/4.
طريقة التحلل الحراري بالميكروويف. تم وضع CFRP في مجال إشعاع الميكروويف ، وتم تسخين الراتنج بالميكروويف ليتحلل إلى مركبات جزيئية صغيرة. يمكن لطريقة التحلل الحراري بالميكروويف أن تقصر بشكل فعال الوقت المطلوب لاستعادة ألياف الكربون ، وعدد المعدات صغير نسبيًا ، وعملية العملية بسيطة.
(3) طريقة استرداد المذيبات. تشير طريقة استرجاع المذيبات إلى الراتينج الموجود في نفايات CFRP في المذيب الذي يتحول إلى مواد قابلة للذوبان ، من خلال تحلل الراتينج وتذويبه لتحقيق فصل الألياف والراتنج ، وألياف الكربون بعد الغسيل ، والتجفيف لاستعادة الألياف. تنقسم طرق استخلاص المذيبات عمومًا إلى طرق مذيبات عادية تحت ضغط عادي وطريقة مذيب فوق حرج تحت ضغط مرتفع.
① طريقة المذيبات الشائعة. تستخدم طريقة المذيبات الشائعة حمض النيتريك والكحول كمذيب تفاعل لراتنج التحلل تحت الضغط الجوي ، وهو بسيط في التشغيل ومنخفض في تكلفة إدخال المعدات. تحافظ الألياف المستردة بشكل أساسي على طول الألياف الأصلي ويمكن استخدامها مرة أخرى كألياف طويلة في المواد المركبة. ومع ذلك ، فإن وقت تحلل الراتينج في المذيب أطول ، كما أن معالجة مذيب النفايات بعد الاستخدام أمر صعب ، مما يزيد من تكلفة الاستعادة ويسبب بسهولة تلوثًا بيئيًا. وفقًا لعمليات التشكيل المختلفة للمادة المركبة ، يختلف الراتنج المستخدم ، والعملية المستخدمة مختلفة.
طريقة المذيبات فوق الحرجة. عندما تتجاوز درجة حرارة وضغط مادة ما درجة حرارة وضغط حرجين معينين ، فإن الحالة الخاصة للانضغاطية العالية ، القابلية العالية للذوبان ، النفاذية العالية ، الانتشار العالي ، الكثافة المنخفضة ، واللزوجة المنخفضة تسمى "الحالة فوق الحرجة" ، والمذيب في هذا الحالة تسمى "المذيب فوق الحرج". تم تحلل راتينج نفايات CFRP بواسطة مذيب فوق الحرج مع قابلية ذوبان عالية ونفاذية عالية لمواد البوليمر ، وتم تحقيق الغرض من استعادة ألياف الكربون. باستخدام طريقة إعادة التدوير هذه ، يكون سطح الألياف أملسًا ، وتحافظ الألياف على الطول الأصلي ، وأداء الألياف مرتفع ، ولا تنتج عملية إعادة التدوير تلوثًا جديدًا ، وحماية البيئة الخضراء. ومع ذلك ، فإن تطبيق هذه الطريقة يتطلب استثمارًا كبيرًا في المعدات وظروف عملية قاسية ، ولا تزال في مرحلة المختبر مؤقتًا ولم تتحول إلى مرحلة صناعية.
توقع
مع تقدم تقنية إنتاج ألياف الكربون ، يزداد إنتاج ألياف الكربون في نفس الوقت الذي يتم فيه خفض تكلفة الإنتاج تدريجياً ، وسيستمر تطبيقه في مختلف المجالات في الزيادة ، وأصبح استرداد CFRP وإعادة استخدامه مشكلة بارزة تقيد التطبيق المكثف للكربون الفيبر.
