Informações materiais
A fibra de carbono é um tipo de material de fibra de alta resistência, alto módulo, macio e usinável com excelentes propriedades físicas e químicas. Polímero/plástico reforçado com fibra de carbono, o CFRP tem sido amplamente utilizado em instalações de energia, aeroespacial, equipamentos militares, trânsito ferroviário e artigos esportivos. A demanda global por fibra de carbono atingiu 107,000 toneladas em 2020 e continua crescendo. O "Relatório Global do Mercado de Compósitos de Fibra de Carbono de 2020" de Guangzhou Saio previu que a demanda global de fibra de carbono quebrará 200,000 toneladas em 2025.
Com a aplicação crescente de CFRP, mais e mais resíduos são gerados no processo de processamento, uso e desperdício. Por exemplo, a tecnologia de energia eólica foi promovida rapidamente nos últimos anos, mas a vida útil das pás é de apenas 20-30 anos. Até 2030, as pás descartadas da energia eólica CFRP atingirão dezenas de milhares de toneladas por ano. No setor de aviação civil, cerca de 8.500 aeronaves em todo o mundo serão aposentadas até 2025, e a reciclagem de resíduos CFRP de seus corpos é um desafio. Com a melhoria da consciência ambiental das pessoas, as leis ambientais relevantes e os regulamentos de descarte de resíduos de CFRP estão se tornando cada vez mais rigorosos. Como reciclar com eficiência a fibra de carbono para reciclagem tornou-se uma questão importante no momento.
A resina utilizada no processamento do CFRP é dividida em resina termoplástica e resina termoendurecível. O método de recuperação de compósitos de matriz de resina termoplástica é simples, mas a viscosidade da resina termoplástica no processo de fusão é alta, a adesão da resina na superfície da fibra é ruim e a propriedade de interface do material compósito é ruim, o que afeta o desempenho de produtos. Atualmente, a matriz CFRP é uma resina principalmente termoendurecível, como resina insaturada, resina fenólica e resina epóxi. Após a cura, a resina termoendurecível formará uma estrutura reticulada de rede tridimensional, que pode melhorar as propriedades físicas do CFRP em comparação com a resina termoplástica.
Tecnologia de recuperação de CFRP
O CFRP não pode ser degradado naturalmente, a incineração ou aterro é o método de tratamento inicial, mas a incineração de resíduos de CFRP produzirá um grande número de gases tóxicos e nocivos e afetará o ambiente natural, ao mesmo tempo, os resíduos de incineração de aterros sanitários também causarão solo poluição secundária; O tratamento de resíduos CFRP em aterro poluirá o solo e ocupará um grande número de recursos terrestres. Este artigo apresenta principalmente a aplicação do método de recuperação mecânica, método de recuperação de calor e método de recuperação de solvente na recuperação de CFRP e expõe os desafios e perspectivas de cada método na aplicação prática.
(1) Método de recuperação mecânica. O método de recuperação mecânica consiste em enrolar e moer resíduos de CFRP sob a ação de força mecânica, de modo que a fibra de carbono seja removida da matriz de resina, partículas de resina e fibras de carbono curtas possam ser obtidas após o tratamento. A fibra cortada em escala milimétrica pode ser usada como enchimento de construção, e a fibra cortada em escala micrométrica pode ser usada como carga de mistura de plástico moldado em folha, plástico moldado em bloco ou termoplástico. O método de recuperação mecânica apresenta as vantagens de um processo simples e baixo custo de investimento. Não produz nova poluição ambiental enquanto recupera a fibra e a resina. No entanto, a força mecânica causa danos à fibra durante o processo de separação de resina e fibra, e a taxa de retenção de desempenho da fibra é baixa.
(2) Método de recuperação de calor. De acordo com as diferentes rotas de processo, o método de recuperação de calor pode ser dividido em método de decomposição térmica em alta temperatura, método de decomposição térmica em leito fluidizado e método de decomposição térmica em micro-ondas. O princípio é decompor a resina em pequenos compostos moleculares sob a ação da energia térmica.
① Método de decomposição térmica em alta temperatura. Primeiramente, os resíduos de CFRP são fragmentados sob a ação da força mecânica. Os fragmentos são aquecidos a 600±200 graus sob a atmosfera de gás inerte, e a resina é decomposta em óleo de pirólise de baixo peso molecular e gás de pirólise sob a condição de nenhum oxigênio. O gás de pirólise é composto principalmente de dióxido de carbono, hidrogênio e metano. Em seguida, injete uma quantidade adequada de oxigênio no sistema, de modo que a combustão de combustível molecular baixo, o calor gerado pela combustão continue a fornecer energia térmica para o sistema. O oxigênio no sistema de entrada precisa de controle quantitativo preciso. A ingestão excessiva de oxigênio aumentará o risco de explosão do sistema. Enquanto isso, também causará peroxidação da fibra de carbono reciclada e diminuirá as propriedades mecânicas da fibra. A ingestão de oxigênio é muito baixa e a resina residual e o óleo pirolítico na superfície da fibra não podem ser removidos completamente, o que afeta o acabamento da fibra. A temperatura da pirólise de alta temperatura depende do tipo de resina. Geralmente, a resina de poliéster pode se decompor em temperaturas mais baixas, enquanto a resina epóxi precisa se decompor em temperaturas mais altas. Devido à operação simples e alta recuperação, o método de decomposição térmica de alta temperatura tem sido aplicado na indústria. Após o tratamento da decomposição térmica de alta temperatura, a superfície lisa da fibra de carbono curta pode ser obtida, mas após o tratamento da fibra ocorrerá diferentes graus de oxidação e a superfície da fibra ocasionalmente deposição de carbono, afetando as propriedades mecânicas da fibra.
② Método de decomposição térmica em leito fluidizado. O processo de recuperação do CFRP por decomposição térmica em leito fluidizado é mostrado na Figura 1. O material compósito é importado do material residual e adicionado ao leito fluidizado. A resina no material composto é decomposta em altas temperaturas no campo de fluxo de ar quente, e o gás de pirólise decomposto é continuado como a energia térmica do sistema através da combustão. Após a decomposição térmica, as partículas de fibra de carbono e resina são recuperadas no separador de ciclone. O fluxo térmico leva a fibra recuperada para o tanque de fibra, enquanto o material refratário é deixado no fundo do leito fluidizado. O CFRP processado por pirólise de leito fluidizado é geralmente de 2 a 3 cm² de tamanho, que pode ser alimentado continuamente ao leito fluidizado para obter produção contínua, e a fibra de carbono curta pode ser obtida por reciclagem. A fricção entre a parede interna do separador de ciclone e o cascalho ligado a gás no leito fluidizado e a fibra causarão alguns danos mecânicos, de modo que a resistência à tração da fibra após este tratamento será reduzida em cerca de 1/4.
③ Método de decomposição térmica por microondas. O CFRP foi colocado em um campo de irradiação de micro-ondas e a resina foi aquecida por micro-ondas para se degradar em pequenos compostos moleculares. O método de decomposição térmica por micro-ondas pode efetivamente reduzir o tempo necessário para a recuperação da fibra de carbono, o número de equipamentos é relativamente pequeno e a operação do processo é simples.
(3) método de recuperação de solvente. O método de recuperação de solvente refere-se à resina em resíduos de CFRP no solvente diminuindo em substâncias solúveis, através da degradação e dissolução da resina para obter a separação de fibra e resina, fibra de carbono após a lavagem e secagem para recuperar a fibra. Os métodos de recuperação de solventes são geralmente divididos em métodos de solventes comuns sob pressão normal e métodos de solventes supercríticos sob alta pressão.
① Método de solvente comum. O método de solvente comum usa ácido nítrico e álcool como solvente de reação da resina de degradação sob pressão atmosférica, que é simples na operação e baixo custo de entrada do equipamento. A fibra recuperada basicamente mantém o comprimento original da fibra e pode ser usada novamente como fibra longa em materiais compósitos. No entanto, o tempo de degradação da resina no solvente é maior e o tratamento do solvente residual após o uso é difícil, o que aumenta o custo de recuperação e facilmente causa poluição ambiental. De acordo com os diferentes processos de conformação do material compósito, a resina utilizada é diferente e o processo utilizado é diferente.
② Método de solvente supercrítico. Quando a temperatura e a pressão de uma substância excedem uma certa temperatura e pressão críticas, o estado especial de alta compressibilidade, alta solubilidade, alta permeabilidade, alta difusividade, baixa densidade e baixa viscosidade é chamado de "estado supercrítico", e o solvente neste estado é chamado de "solvente supercrítico". A resina residual de CFRP foi degradada por um solvente supercrítico com alta solubilidade e alta permeabilidade de materiais poliméricos, e o objetivo da recuperação de fibra de carbono foi alcançado. Usando este método de reciclagem, a superfície da fibra é lisa, a fibra mantém o comprimento original, o desempenho da fibra é alto, o processo de reciclagem não produz nova poluição, proteção ambiental verde. No entanto, a aplicação deste método requer um grande investimento em equipamentos e duras condições de processo, e ainda está temporariamente em fase de laboratório e não foi transformado em industrial.
Expectativa
Com o progresso da tecnologia de produção de fibra de carbono, a produção de fibra de carbono aumenta ao mesmo tempo em que o custo de produção é gradualmente reduzido, sua aplicação em vários campos continuará a aumentar e a recuperação e reutilização de CFRP tornaram-se um problema proeminente que restringe a aplicação extensiva de carbono fibra.
