Informazioni sul materiale
La fibra di carbonio è un tipo di materiale in fibra ad alta resistenza, alto modulo, morbido e lavorabile con eccellenti proprietà fisiche e chimiche. Polimero/plastica rinforzato con fibra di carbonio, CFRP è stato ampiamente utilizzato in impianti energetici, aerospaziale, attrezzature militari, trasporto ferroviario e articoli sportivi. La domanda globale di fibra di carbonio ha raggiunto le 107,000 tonnellate nel 2020 e continua a crescere. Il "2020 Global Carbon Fiber Composites Market Report" di Guangzhou Saio ha previsto che la domanda globale di fibra di carbonio supererà le 200.000 tonnellate nel 2025.
Con la crescente applicazione del CFRP, vengono generati sempre più rifiuti nel processo di lavorazione, utilizzo e rifiuti. Ad esempio, la tecnologia dell'energia eolica è stata rapidamente promossa negli ultimi anni, ma la durata delle pale è di soli 20-30 anni. Entro il 2030, le pale scartate di energia eolica CFRP raggiungeranno decine di migliaia di tonnellate all'anno. Nel settore dell'aviazione civile, quasi 8.500 aeromobili in tutto il mondo saranno ritirati entro il 2025 e il riciclaggio dei rifiuti CFRP dai loro corpi è una sfida. Con il miglioramento della consapevolezza ambientale delle persone, le leggi e i regolamenti ambientali pertinenti per lo smaltimento dei rifiuti CFRP stanno diventando sempre più severi. Come riciclare in modo efficiente la fibra di carbonio per il riciclaggio è diventata una questione calda al momento.
La resina utilizzata nella lavorazione del CFRP è suddivisa in resina termoplastica e resina termoindurente. Il metodo di recupero dei compositi a matrice di resina termoplastica è semplice, ma la viscosità della resina termoplastica nel processo di fusione è elevata, l'adesione della resina sulla superficie della fibra è scarsa e la proprietà dell'interfaccia del materiale composito è scarsa, il che influisce sulle prestazioni di prodotti. Attualmente, la matrice CFRP è principalmente una resina termoindurente, come resina insatura, resina fenolica e resina epossidica. Dopo l'indurimento, la resina termoindurente formerà una struttura reticolata tridimensionale, che può migliorare le proprietà fisiche del CFRP rispetto alla resina termoplastica.
Tecnologia di recupero CFRP
Il CFRP non può essere degradato naturalmente, l'incenerimento o la discarica è il metodo di trattamento iniziale, ma l'incenerimento dei rifiuti di CFRP produrrà un gran numero di gas tossici e nocivi e influenzerà l'ambiente naturale, allo stesso tempo, i residui di rifiuti dell'incenerimento in discarica causeranno anche il suolo inquinamento secondario; Il trattamento in discarica dei rifiuti CFRP inquinerà il suolo e occuperà un gran numero di risorse terrestri. Questo documento introduce principalmente l'applicazione del metodo di recupero meccanico, del metodo di recupero del calore e del metodo di recupero del solvente nel recupero di CFRP e illustra le sfide e le prospettive di ciascun metodo nell'applicazione pratica.
(1) Metodo di recupero meccanico. Il metodo di recupero meccanico consiste nel rotolare e macinare i rifiuti CFRP sotto l'azione della forza meccanica in modo che la fibra di carbonio venga strappata dalla matrice di resina, le particelle di resina e la fibra di carbonio corta possano essere ottenute dopo il trattamento. La fibra tagliata su scala millimetrica può essere utilizzata come riempitivo per l'edilizia e la fibra tagliata su scala micron può essere utilizzata come riempitivo misto di plastica per stampaggio di lastre, plastica per stampaggio a blocchi o termoplastica. Il metodo di recupero meccanico presenta i vantaggi di un processo semplice e di un basso costo di investimento. Non produce nuovo inquinamento ambientale recuperando la fibra e la resina. Tuttavia, la forza meccanica provoca danni alla fibra durante il processo di separazione di resina e fibra e il tasso di ritenzione delle prestazioni della fibra è basso.
(2) Metodo di recupero del calore. In base ai diversi percorsi di processo, il metodo di recupero del calore può essere suddiviso in metodo di decomposizione termica ad alta temperatura, metodo di decomposizione termica a letto fluidizzato e metodo di decomposizione termica a microonde. Il principio è quello di scomporre la resina in piccoli composti molecolari sotto l'azione dell'energia termica.
① Metodo di decomposizione termica ad alta temperatura. In primo luogo, i rifiuti CFRP vengono ridotti in frammenti sotto l'azione della forza meccanica. I frammenti vengono riscaldati a 600 ± 200 gradi sotto l'atmosfera di gas inerte e la resina viene decomposta in olio di pirolisi a basso peso molecolare e gas di pirolisi in assenza di ossigeno. Il gas di pirolisi è composto principalmente da anidride carbonica, idrogeno e metano. Quindi iniettare una quantità appropriata di ossigeno nel sistema, in modo che la combustione di combustibili a basso peso molecolare, il calore generato dalla combustione continui a fornire energia termica per il sistema. L'ossigeno nel sistema in ingresso necessita di un controllo quantitativo preciso. Un'eccessiva assunzione di ossigeno aumenterà il rischio di esplosione del sistema. Nel frattempo, causerà anche la perossidazione della fibra di carbonio riciclata e diminuirà le proprietà meccaniche della fibra. L'apporto di ossigeno è troppo basso e la resina residua e l'olio pirolitico sulla superficie della fibra non possono essere rimossi completamente, il che influisce sulla finitura della fibra. La temperatura della pirolisi ad alta temperatura dipende dal tipo di resina. Generalmente, la resina poliestere può decomporsi a una temperatura più bassa, mentre la resina epossidica deve decomporsi a una temperatura più alta. A causa del semplice funzionamento e dell'elevato recupero, il metodo di decomposizione termica ad alta temperatura è stato applicato nell'industria. Dopo il trattamento della decomposizione termica ad alta temperatura, è possibile ottenere la superficie liscia della fibra di carbonio corta, ma dopo il trattamento della fibra si verificheranno diversi gradi di ossidazione e la superficie della fibra occasionalmente deposizione di carbonio, che influisce sulle proprietà meccaniche della fibra.
② Metodo di decomposizione termica a letto fluido. Il processo di recupero della CFRP mediante decomposizione termica a letto fluidizzato è mostrato nella Figura 1. Il materiale composito viene importato dal materiale di scarto e aggiunto al letto fluidizzato. La resina nel materiale composito viene decomposta ad alte temperature nel campo del flusso d'aria calda e il gas di pirolisi decomposto viene continuato come energia termica del sistema attraverso la combustione. Dopo la decomposizione termica, le particelle di fibra di carbonio e resina vengono recuperate nel separatore a ciclone. Il flusso termico porta la fibra recuperata al serbatoio fibra, mentre il materiale refrattario viene lasciato sul fondo del letto fluidizzato. Il CFRP elaborato dalla pirolisi a letto fluidizzato ha generalmente una dimensione di 2 ~ 3 cm², che può essere alimentato continuamente al letto fluidizzato per ottenere una produzione continua e la fibra di carbonio corta può essere ottenuta mediante riciclaggio. L'attrito tra la parete interna del separatore a ciclone e la ghiaia legata al gas nel letto fluidizzato e la fibra causerà alcuni danni meccanici, quindi la resistenza alla trazione della fibra dopo questo trattamento sarà ridotta di circa 1/4.
③ Metodo di decomposizione termica a microonde. Il CFRP è stato posto in un campo di irradiazione a microonde e la resina è stata riscaldata a microonde per degradarsi in piccoli composti molecolari. Il metodo di decomposizione termica a microonde può ridurre efficacemente il tempo necessario per il recupero della fibra di carbonio, il numero di apparecchiature è relativamente piccolo e il funzionamento del processo è semplice.
(3) metodo di recupero del solvente. Il metodo di recupero del solvente si riferisce alla resina nei rifiuti CFRP nel solvente che declina in sostanze solubili, attraverso la degradazione e la dissoluzione della resina per ottenere la separazione di fibra e resina, fibra di carbonio dopo il lavaggio e l'essiccazione per recuperare la fibra. I metodi di recupero del solvente sono generalmente suddivisi in metodi con solvente ordinario a pressione normale e metodo con solvente supercritico ad alta pressione.
① Metodo solvente comune. Il metodo del solvente comune utilizza l'acido nitrico e l'alcool come solvente di reazione della resina di degradazione a pressione atmosferica, che è semplice nel funzionamento e basso costo di input dell'attrezzatura. La fibra recuperata mantiene sostanzialmente la lunghezza della fibra originale e può essere riutilizzata come fibra lunga nei materiali compositi. Tuttavia, il tempo di degradazione della resina nel solvente è più lungo e il trattamento del solvente di scarto dopo l'uso è difficile, il che aumenta i costi di recupero e provoca facilmente inquinamento ambientale. A seconda dei diversi processi di formatura del materiale composito, la resina utilizzata è diversa e il processo utilizzato è diverso.
② Metodo del solvente supercritico. Quando la temperatura e la pressione di una sostanza superano una certa temperatura e pressione critica, lo stato speciale di alta compressibilità, alta solubilità, alta permeabilità, alta diffusività, bassa densità e bassa viscosità è chiamato "stato supercritico" e il solvente in questo stato è chiamato "solvente supercritico". La resina di scarto CFRP è stata degradata da un solvente supercritico con elevata solubilità e alta permeabilità dei materiali polimerici ed è stato realizzato lo scopo del recupero della fibra di carbonio. Utilizzando questo metodo di riciclaggio, la superficie della fibra è liscia, la fibra mantiene la lunghezza originale, le prestazioni della fibra sono elevate, il processo di riciclaggio non produce nuovo inquinamento, protezione ambientale verde. Tuttavia, l'applicazione di questo metodo richiede un grande investimento in attrezzature e condizioni di processo difficili, ed è ancora temporaneamente in fase di laboratorio e non è stato trasformato in industriale.
Aspettativa
Con il progresso della tecnologia di produzione della fibra di carbonio, la produzione di fibra di carbonio aumenta allo stesso tempo il costo di produzione viene gradualmente ridotto, la sua applicazione in vari campi continuerà ad aumentare e il recupero e il riutilizzo del CFRP sono diventati un problema importante che limita l'ampia applicazione del carbonio fibra.
