Materialinformationen
Kohlefaser ist eine Art hochfestes, hochmoduliges, weiches und bearbeitbares Fasermaterial mit hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften. Kohlefaserverstärktes Polymer/Kunststoff, CFK, wird häufig in Energieanlagen, Luft- und Raumfahrt, Militärausrüstung, Schienenverkehr und Sportartikeln eingesetzt. Die weltweite Nachfrage nach Kohlenstofffasern erreichte 2020 107.000 Tonnen und wächst weiter. Der „Global Carbon Fiber Composites Market Report 2020“ von Guangzhou Saio prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage nach Carbonfasern im Jahr 2025 die Marke von 200.000 Tonnen überschreiten wird.
Mit dem zunehmenden Einsatz von CFK fallen im Prozess der Verarbeitung, Nutzung und Verschwendung immer mehr Abfälle an. Beispielsweise wurde die Windkrafttechnologie in den letzten Jahren rasant vorangetrieben, aber die Lebensdauer der Rotorblätter beträgt nur 20-30 Jahre. Bis 2030 werden die ausrangierten Flügel von CFK-Windkraft Zehntausende Tonnen pro Jahr erreichen. In der zivilen Luftfahrt werden bis 2025 weltweit fast 8.500 Flugzeuge ausgemustert, und das Recycling von CFK-Abfällen aus ihren Karosserien ist eine Herausforderung. Mit der Verbesserung des Umweltbewusstseins der Menschen werden die einschlägigen Umweltgesetze und -vorschriften der CFK-Abfallentsorgung immer strenger. Wie Carbonfasern effizient recycelt werden können, ist derzeit ein heißes Thema.
Das bei der Verarbeitung von CFK verwendete Harz wird in thermoplastisches Harz und duroplastisches Harz unterteilt. Das Wiederherstellungsverfahren für Verbundwerkstoffe mit thermoplastischer Harzmatrix ist einfach, aber die Viskosität des thermoplastischen Harzes im Schmelzprozess ist hoch, die Haftung des Harzes auf der Faseroberfläche ist schlecht und die Grenzflächeneigenschaft des Verbundmaterials ist schlecht, was die Leistung beeinträchtigt von Produkten. Gegenwärtig ist die CFK-Matrix hauptsächlich ein duroplastisches Harz, wie etwa ungesättigtes Harz, Phenolharz und Epoxidharz. Nach dem Aushärten bildet das duroplastische Harz eine dreidimensionale vernetzte Netzwerkstruktur, die die physikalischen Eigenschaften von CFK im Vergleich zu thermoplastischem Harz verbessern kann.
CFK-Rückgewinnungstechnologie
CFK kann nicht auf natürliche Weise abgebaut werden, Verbrennung oder Deponierung ist die frühe Behandlungsmethode, aber die Verbrennung von CFK-Abfällen erzeugt eine große Anzahl giftiger und schädlicher Gase und beeinträchtigt die natürliche Umwelt. Gleichzeitig verursachen Deponieverbrennungsrückstände auch Boden Sekundärverschmutzung; Die Deponiebehandlung von CFK-Abfällen wird den Boden verschmutzen und eine große Anzahl von Landressourcen beanspruchen. Dieses Papier stellt hauptsächlich die Anwendung des mechanischen Rückgewinnungsverfahrens, des Wärmerückgewinnungsverfahrens und des Lösungsmittelrückgewinnungsverfahrens in der CFK-Rückgewinnung vor und erläutert die Herausforderungen und Aussichten jeder Methode in der praktischen Anwendung.
(1) Mechanisches Rückgewinnungsverfahren. Das mechanische Rückgewinnungsverfahren besteht darin, CFK-Abfall unter Einwirkung mechanischer Kraft zu walzen und zu mahlen, so dass Kohlenstoffasern von der Harzmatrix abgelöst werden, Harzpartikel und kurze Kohlenstoffasern nach der Behandlung erhalten werden können. Die im Millimetermaßstab geschnittene Faser kann als Baufüllstoff verwendet werden, und die im Mikrometermaßstab geschnittene Faser kann als Mischungsfüllstoff für Folienformkunststoff, Blockformkunststoff oder Thermoplast verwendet werden. Das mechanische Rückgewinnungsverfahren hat die Vorteile eines einfachen Verfahrens und geringer Investitionskosten. Es erzeugt keine neue Umweltverschmutzung, während die Faser und das Harz zurückgewonnen werden. Die mechanische Kraft verursacht jedoch während des Trennvorgangs von Harz und Faser eine Beschädigung der Faser, und die Retentionsrate der Faserleistung ist gering.
(2) Wärmerückgewinnungsverfahren. Gemäß den unterschiedlichen Verfahrenswegen kann das Wärmerückgewinnungsverfahren in das thermische Hochtemperatur-Zersetzungsverfahren, das thermische Wirbelschicht-Zersetzungsverfahren und das thermische Mikrowellen-Zersetzungsverfahren unterteilt werden. Das Prinzip besteht darin, das Harz unter Einwirkung von Wärmeenergie in kleine molekulare Verbindungen zu zersetzen.
① Thermisches Hochtemperatur-Zersetzungsverfahren. Zunächst werden CFK-Abfälle unter mechanischer Krafteinwirkung zerkleinert. Die Fragmente werden unter einer Inertgasatmosphäre auf 600 ± 200 Grad erhitzt, und das Harz wird unter sauerstofffreien Bedingungen in niedermolekulares Pyrolyseöl und Pyrolysegas zersetzt. Das Pyrolysegas besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan. Injizieren Sie dann eine geeignete Menge Sauerstoff in das System, so dass die niedermolekulare brennbare Verbrennung, die durch die Verbrennung erzeugte Wärme weiterhin Wärmeenergie für das System bereitstellt. Der Sauerstoff im ankommenden System muss präzise quantitativ kontrolliert werden. Eine übermäßige Sauerstoffaufnahme erhöht das Risiko einer Explosion des Systems. In der Zwischenzeit wird es auch eine Peroxidation der recycelten Kohlefaser verursachen und die mechanischen Eigenschaften der Faser verringern. Die Sauerstoffaufnahme ist zu gering, und das Restharz und Pyroöl auf der Faseroberfläche kann nicht vollständig entfernt werden, was das Faserfinish beeinträchtigt. Die Temperatur der Hochtemperaturpyrolyse hängt von der Art des Harzes ab. Im Allgemeinen kann sich das Polyesterharz bei einer niedrigeren Temperatur zersetzen, während sich Epoxidharz bei einer höheren Temperatur zersetzen muss. Aufgrund des einfachen Betriebs und der hohen Ausbeute wurde das thermische Hochtemperatur-Zersetzungsverfahren in der Industrie angewendet. Nach der Behandlung der thermischen Hochtemperaturzersetzung kann die glatte Oberfläche der kurzen Kohlenstofffaser erhalten werden, aber nach der Behandlung der Faser treten unterschiedliche Oxidationsgrade auf, und auf der Oberfläche der Faser kommt es gelegentlich zu Kohlenstoffabscheidungen, die die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen der Faser.
② Thermisches Zersetzungsverfahren im Wirbelbett. Der Prozess der CFK-Rückgewinnung durch thermische Zersetzung in der Wirbelschicht ist in Abbildung 1 dargestellt. Das Verbundmaterial wird aus dem Abfallmaterial importiert und der Wirbelschicht zugeführt. Das Harz im Verbundmaterial wird bei hohen Temperaturen im Heißluftströmungsfeld zersetzt, und das zersetzte Pyrolysegas wird als Wärmeenergie des Systems durch Verbrennung weitergeführt. Nach der thermischen Zersetzung werden Kohlefaser- und Harzpartikel im Zyklonabscheider zurückgewonnen. Der Wärmestrom führt die wiedergewonnene Faser zum Fasertank, während das feuerfeste Material am Boden der Wirbelschicht verbleibt. Das durch Wirbelschichtpyrolyse verarbeitete CFK hat im Allgemeinen eine Größe von 2 bis 3 cm² und kann dem Wirbelbett kontinuierlich zugeführt werden, um eine kontinuierliche Produktion zu erreichen, und die kurzen Kohlenstoffasern können durch Recycling gewonnen werden. Die Reibung zwischen der Innenwand des Zyklonabscheiders und dem gasgebundenen Kies in der Wirbelschicht und der Faser verursacht eine gewisse mechanische Beschädigung, so dass die Zugfestigkeit der Faser nach dieser Behandlung um etwa 1/4 verringert wird.
③ Mikrowellen-Thermozersetzungsverfahren. CFRP wurde in ein Mikrowellenbestrahlungsfeld gegeben und das Harz wurde durch Mikrowellen erhitzt, um es in kleine molekulare Verbindungen abzubauen. Das thermische Mikrowellen-Zersetzungsverfahren kann die für die Rückgewinnung von Kohlefasern erforderliche Zeit effektiv verkürzen, die Anzahl der Geräte ist relativ gering und der Verfahrensablauf ist einfach.
(3) Lösungsmittelrückgewinnungsverfahren. Das Lösungsmittelrückgewinnungsverfahren bezieht sich auf das Harz in CFK-Abfällen im Lösungsmittel, das durch Abbau und Auflösung des Harzes in lösliche Substanzen zerfällt, um die Trennung von Faser und Harz, Kohlenstofffaser nach dem Waschen und Trocknen zur Rückgewinnung von Fasern zu erreichen. Lösungsmittelrückgewinnungsverfahren werden im Allgemeinen in gewöhnliche Lösungsmittelverfahren unter Normaldruck und überkritische Lösungsmittelverfahren unter Hochdruck unterteilt.
① Gemeinsame Lösungsmittelmethode. Das übliche Lösungsmittelverfahren verwendet Salpetersäure und Alkohol als Reaktionslösungsmittel des Zersetzungsharzes unter atmosphärischem Druck, was einfach in der Handhabung und niedrig in den Ausrüstungskosten ist. Die zurückgewonnene Faser behält im Wesentlichen die ursprüngliche Faserlänge und kann als Langfaser in Verbundwerkstoffen wiederverwendet werden. Die Abbauzeit des Harzes im Lösungsmittel ist jedoch länger, und die Behandlung des Abfalllösungsmittels nach der Verwendung ist schwierig, was die Rückgewinnungskosten erhöht und leicht eine Umweltverschmutzung verursacht. Entsprechend den unterschiedlichen Formgebungsverfahren des Verbundmaterials ist das verwendete Harz unterschiedlich und das verwendete Verfahren unterschiedlich.
② Überkritisches Lösungsmittelverfahren. Wenn die Temperatur und der Druck einer Substanz eine bestimmte kritische Temperatur und einen bestimmten kritischen Druck überschreiten, wird der spezielle Zustand hoher Kompressibilität, hoher Löslichkeit, hoher Permeabilität, hoher Diffusionsfähigkeit, niedriger Dichte und niedriger Viskosität als "überkritischer Zustand" bezeichnet, und das Lösungsmittel darin Zustand wird "überkritisches Lösungsmittel" genannt. Das CFK-Abfallharz wurde durch ein überkritisches Lösungsmittel mit hoher Löslichkeit und hoher Permeabilität von Polymermaterialien abgebaut, und der Zweck der Rückgewinnung von Kohlefasern wurde verwirklicht. Bei dieser Recyclingmethode ist die Faseroberfläche glatt, die Faser behält die ursprüngliche Länge, die Faserleistung ist hoch, der Recyclingprozess erzeugt keine neue Verschmutzung, grüner Umweltschutz. Die Anwendung dieses Verfahrens erfordert jedoch eine große Investition in Ausrüstung und raue Prozessbedingungen, und es befindet sich vorübergehend noch im Laborstadium und wurde nicht in ein industrielles umgewandelt.
Erwartung
Mit dem Fortschritt der Kohlefaserproduktionstechnologie nimmt die Kohlefaserproduktion zu, während gleichzeitig die Produktionskosten allmählich gesenkt werden, ihre Anwendung in verschiedenen Bereichen wird weiter zunehmen, und die Rückgewinnung und Wiederverwendung von CFK sind zu einem herausragenden Problem geworden, das die umfangreiche Anwendung von Kohlenstoff einschränkt Faser.
