بازیافت ضایعات پریپرگ الیاف کربن

توسعه روشی برای بازیافت ضایعات پریپرگ الیاف کربن و افزایش ارزش افزوده مواد جمع‌آوری‌شده

پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) کاربرد گسترده‌ای در صنایع هوافضا، خودرو سازی و ساختمان دارند. پریپرگ های CFRP (محصولات میانی) معمولا در تولید CFRP همراه با تعداد زیادی از پریپرگ‌ها که در طول فرایندهای برش دور ریخته می‌شوند، کاربرد دارند. تقاضای زیادی برای ابداع روشی به منظور بازیافت ضایعات پریپرگ الیاف کربن وجود دارد. این مقاله روشی کم هزینه و با ارزش افزوده بالا برای بازیافت چنین موادی و همچنین تقویت توسعه یک جامعه بازیافت محور پیشنهاد می‌دهد. در اینجا، ما نوارهای کربنی (CT) را از ضایعات برشی دور ریخته شده باتوجه به اندازه آنها تهیه می‌کنیم تا بتوانیم طول فیبر را به حداکثر برسانیم. با استفاده از روش پراکندگی CT آب ساده، ورق‌های CT یکنواخت تولید کرده و یک کامپوزیت تقویت شده با CT بازیافتی (R-CT-RC) را قالب گیری می‌کنیم. آماده سازی نمونه و آزمایش خواص مکانیکی نشان می‌دهد که R-CT-RC از هزینه بازیافت کمتر و خواص مکانیکی مطلوبی برخوردار است. کامپوزیت تقویت شده با CT بازیافتی در ترکیب با ترموپلاستیک (R-CT-RC/TP)، که با افزودن رزین ترموپلاستیک به CT ها تهیه می‌شود، می‌تواند مجدد قالب گیری شده و به راحتی بازیافت شود.

پلاستیک تقویت شده با الیاف (RFP) با آغشته سازی الیاف تقویت شده پیوسته به رزین و سپس پخت مواد به دست آمده ساخته می‌شود. CFR که با استفاده از موادی مانند الیاف کربن (CF) که دارای استحکام بالا و مدول الاستیک بالایی است و درمقایسه با مواد معمولی از استحکام و مدول ویژه بسیار بالایی برخوردار است، استفاده روزافزونی در صنایع مختلف ازجمله هوافضا، خودروسازی، کشتی‌رانی و ساخت تجهیزات ورزشی دارد. پریپرگ CF یک ماده نیمه پخته است که با آغشته سازی پارچه فیبر کربن یا ورقه‌های یک طرفه با رزین و یک عامل پخت ساخته می شوند، در ساخت CFRP کاربرد دارند. این مواد با برش دادن، لایه‌بندی، هم‌پوشانی و سپس پختن در پرس داغ یا اتوکلاو شکل می‌گیرد. روش مدلسازی پریپرگ CF به دلیل کیفیت، سادگی، و کارایی بالا در تولید مورد استقبال صنایع است. با این حال، حجم زیادی از ضایعات پریپرگ CF (تراشه) باید تولید شود تا بتوان کیفیت و عملکرد بالای محصولات CFRP را حفظ کرد. براساس آمار به دست آمده از سازندگان قالب، سهم این ضایعات در تولید قطعات هواپیما و تجهیزات ورزشی به ترتیب حدود 40 و 25 درصد است. استفاده از ضایعات پریپرگ به دلیل استفاده آنها از رزین ترموست و اندازه، شکل و نوع (پارچه یا مواد یک طرفه) متفاوت و اینکه اکثر آنها در حال حاضر دور ریخته می‌شوند، دشوار است. تقاضای بالایی برای استفاده مجدد (بازیافت) این ضایعات به منظور جلوگیری از دفع غیرضروری پریپرگ CF با ارزش بالا و در عین حال، کاهش اثرات زیست محیطی دفن وجود دارد. تحقیقات زیادی درمورد بازیافت FRP برای CFRP و سایر مواد انجام شده و برخی روش بازیافت نیز توسعه یافته‌اند. یکی از روش‌های معمول تجزیه و حذف ماتریس CFRP با استفاده از یک واکنش شیمیایی و سپس جمع‌آوری و استفاده مجدد از الیاف کربن غیرفعال شده شیمیایی است که به‌عنوان رویکرد بازیافت شیمیایی شناخته می‌شود. ناکاگاوا تلاش کرد تا CFRP را با استفاده از الکل بازیافت کند، درحالی‌که پینرو هرنان این کار را با استفاده از آب فوق بحرانی انجام داد. شرکت هیتاچی از روش ناکاگاوا برای ساخت خط بازیافت CFRP استفاده کرد. پی و همکارانش به‌منظور جداسازی و بازیابی الیاف کربن از پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) در دی‌متیل سولفوکسید (DMSO) در دما و فشار معمولی، تورم شیمیایی و اکسیداسیون الکتروشیمیایی را با هم ترکیب کردند. چن و همکارانش تلاش کردند تا کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با فیبر کربن را با استفاده از حلال‌های یوتکتیک عمیق به‌عنوان یک محیط بازیافت بازیافت کنند.

بازیافت پیرولیز یکی دیگر از روش‌های رایج مورد استفاده است. مِیِر روشی برای تجزیه حرارتی یک ماتریس آلی متشکل از مواد کامپوزیتی در محیط حاوی نیتروژن و دیگر گازهای بی اثر و سپس بازیابی الیاف تقویت کننده با هدف استفاده مجدد تشریح می‌کند. لابراتوار ما تلاش کرده است تا CFRP و GFRP را با استفاده از بخار فوق گرم آنتروپی بالا بازیافت کرده و همچنین از مواد جمع‌آوری‌شده (الیاف تقویت‌کننده) با افزایش ارزش افزوده استفاده کند. با این کار، توانستیم اثربخشی رویکرد را به اثبات برسانیم. همچنین در جمع‌آوری و استفاده مجدد از ماتریس FRP (رزین) با همان روش موفق شدیم و به این نتیجه رسیدیم که CFRP که مجددا با استفاده از الیاف تقویت‌کننده بازیافتی ساخته شد، از عملکرد بالایی برخوردار است. ماتسودا و همکارانش با کمک آنالیز مشخصه‌های شکست کششی الیاف کربن جمع‌آوری‌شده از قسمت‌های بیرونی و داخلی ورقه‌ CFRP با تجزیه حرارتی، مرجعی برای استفاده از مواد بازیافتی ارائه دادند. توشی هیرا و همکارانش به بررسی شرایط بهینه بازیافت با هدف بازیابی فیبر کربن بازیافتی از ماتریس اپوکسی CFRP با تجزیه حرارتی پرداختند. وونگ و همکارانش نیز توسعه یک ماده محافظ از تداخل امواج الکترومغناطیسی با استفاده از فیبر کربن بازیافتی را مورد بحث قرار دادند. فیبر بازیافت شده به یک حجاب نبافته تبدیل شد که ساخت آن آسان است. خواص مکانیکی پارچه نبافته هم کم است.

روش جدیدی برای اشباع محلول توسط لابراتوار ما پیشنهاد شد و FRTP ها (ترموپلاستیک‌های تقویت شده با الیاف پیوسته) با کسر حجمی فیبر بالا (CFRTP بسیار مقاوم معادل CFRP) با استفاده از این روش با موفقیت آماده شدند. FRTP به ندرت جایگزین FRP ها می‌شوند. کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، همانند کامپوزیت‌های ترموست، را نیز می‌توان با تجزیه حرارتی بازیافت کرد که از دمای بالا (بین 300 تا 1000 درجه سانتیگراد) برای تجزیه رزین و جدا کردن الیاف تقویت‌کننده و پرکننده‌ها استفاده می‌کند. بازیافت با استفاده از این روش، همچون CFRP، بسیار پرهزینه است. از آنجا که ترموپلاستیک‌ها را می‌توان به راحتی بالاتر از دمای مذاب خود گرم کرد و به شکل جدیدی درآورد، شاید بتوان کامپوزیت‌های ترموپلاستیک تقویت شده با الیاف پیوسته را نیز به‌طور مستقیم بازیافت کرد.

کلام آخر

در این مقاله یک روش کم‌هزینه برای بازیافت پریپرگ CF پیشنهاد کردیم که ارزش افزوده بالایی را در تلاش برای کمک به تحقق جامعه بازیافت محور ارائه می‌کند. تجهیزات مرتبط را نمونه سازی کرده، مواد بازیافتی را آماده کرده و کارایی روش را به تأیید رساندیم. حفظ طول موثر الیاف در حین برش ضایعات پریپرگ CF در CT روشی مؤثر برای به دست آوردن مواد بازیافتی با ویژگی های مکانیکی عالی است. روش پراکندگی CT آب ساده (کم هزینه) پیشنهادی ما برای تهیه صفحات نوار کربنی با یکنواختی ثابت مناسب است. کامپوزیت تقویت‌شده با CT بازیافتی با استفاده از روش پیشنهادی CT، ضایعات پریپرگ CF را برش می‌زند که خواص ترموست و مکانیکی برتری نسبت به کامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبر کربن کوتاه بازیافتی معمولی دارند. به این ترتیب، روش ما مواد بازیافتی با کارایی بالا را تولید می‌کند. کامپوزیت تقویت‌شده با CT بازیافتی با کمک قالب‌گیری ترموپلاستیک با افزودن رزین اپوکسی ترموپلاستیک بین CT‌های برش داده شده از ضایعات پریپرگ که دارای خاصیت ترموست هستند، می‌توانند به راحتی دوباره قالب‌گیری شده و به راحتی بازیافت شوند. ویژگی‌های مکانیکی این ماده نسبت به R-CT-RP پایین‌تر است که نشان می‌دهد به تحقیقات بیشتری برای بهبود فرایند قالب‌گیری نیاز است.