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(收藏版)复合材料回收技术进展——概述

(2014-12-13 10:38:57)
标签:

杂谈

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摘要:复合材料虽然在汽车、航空航天和再生能源等工业领域得到了广泛的应用,但是由于复合材料自身固有的异相性,特别是热固性树脂基复合材料,致使复合材料没有得到妥善的回收。废弃物处理的相关法规在当前和以后都会要求将汽车、风力发电机和飞机等使用的工业材料在报废后能够得到妥善的回收,工业材料的最终回收再利用可以达到节省资源和能源的目的。目前多项复合材料回收技术已相继研发出来,其中大多关注增强材料的回收,但都未完成商业化生产,主要包括以下三种方法:机械回收、热回收和化学回收。复合材料回收技术商业化最大的阻碍在于再生材料的市场需求匮乏、高昂的回收生产成本以及再生材料性能的降低。为了更好的推进复合材料回收技术发展,需要加大回收技术的创新性研发力度,研发发出更加高效的复合材料分离技术。通过复合材料设计、复合材料生产生产、废弃物管理、新研发的分离和回收技术这五方面的共同努力,在不久的将来复合材料的回收就会真正的实现,并进一步开发出更易回收的复合材料。

一、引言

复合材料为设计工程师们提供了高性能和长寿命的材料,凭借其高强、轻质和低维护的优点复合材料在工业领域得到了广泛的应用,为交通运输工具节能减排做出的贡献最为突出。一般来讲,复合材料可以分为以下三类:聚合物基复合材料(PMC)、金属基复合材料(MMC)、陶瓷基复合材料(CMC)。按照增强材料形态,复合材料又可分为:颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料和叠层复合材料。以上两种复合材料的分类方式见图1。准确的统计全球复合材料的产量有很大难度,估计2000年的全球产量大约为700万吨,2006年很有可能便已经达到了1000万吨[1]。在众多种类的复合材料中,聚合物基复合材料占居了绝大多数的市场份额,其中热固性复合材料就超过了2/3,不过最近几年热塑性复合材料的市场占有率正在快速增长。(收藏版)复合材料回收技术进展——概述

若按产值计算,目前两个较大的复合材料应用领域分别为汽车工业(超过30%)和航空工业(超过20%)。图2列举了2000年复合材料产值在不同应用领域的占比。复合材料首先在国防和航空领域得到了应用,当前绝大多数的战斗机所使用复合材料的重量比已经超过了50%。复合材料最近已经成为新一代复合材料飞机的主要材料,例如波音梦幻客机787(复合材料53%)、空客A380(复合材料25%)以及未来的空客A350(复合材料53%)。提高汽车燃油效率的关键手段就是减轻重量,作为复合材料应用最多的领域,复合材料(车身、内饰、底盘、引擎盖和电气组件)的使用量增长迅猛。此外,在体育休闲、造船、风力发电和近海油气田开发中也得到了广泛应用。图32000年复合材料在欧洲各国的市场份额分解图。如图所示,德国的使用量最大,意大利和法国紧随其后,这三个国家一共占有欧洲60%的市场份额,与这三个国家强大的汽车和航空航天工业密不可分。

(收藏版)复合材料回收技术进展——概述

(收藏版)复合材料回收技术进展——概述

工业材料的回收再利用有助于整个工业进程的可持续发展。目前,金属、玻璃、热塑性塑料等众多工业材料都得到了很好的回收再利用,而作为特种材料的复合材料却没有(包括基体和增强材料)。究其原因,主要是由复合材料的基体和增强材料的异相性造成的,其中热固性树脂基复合材料更加难以再循环利用。当下和以后的废弃物处理的相关法规都要求将报废车辆中的所使用的工业材料进行回收再利用。回收循环利用可以节约复合材料用增强材料和基体的生产资源和能源消耗。

碍于技术和经济可行性两方面因素,目前主流复合材料回收技术仅有极少数实现了商业化生产。复合材料回收中最基本的问题就是如何将其分解成均匀的颗粒,分离过程一直受到纤维或其它增强材料、基体(尤其是热固性树脂基体)或粘合剂的制约。因此,回收过程绝大多数情况下只能将复合材料转化为热量,极少能分离出纤维。最近欧盟关于报废车辆[2]、报废电子电气设备[3]处理的指导性意见的出台,必将加大复合材料回收技术的市场需求,并最终实现商业化生产。

各种各样的复合材料回收技术在大量的研究过程中应运而生,主要有以下三类技术:机械回收、热回收和化学回收,这些技术都有待于商业化推广。机械回收要先将复合材料切碎和造粒,然后再筛分成可再次使用的富纤维和富树脂颗粒,该方法需要消耗大量能源而且产品性能较低。热回收则是利用高温(300~1000)分解树脂,并分离出增强纤维和填料。此方法可以生产出可再次使用的纤维和无机填料,并可将热裂解、气化和氧化过程中产生的热量作为二次能源使用,但热回收过程也使得纤维和颗粒的性能不同程度的降低。化学回收旨在通过化学解聚分离出纤维并进一步利用溶剂溶解树脂得到可使用的纤维。由于化学回收缺乏灵活性、生产中产生化学废料,导致其当前并没有得到积极的研究。然而,超(近)临界液体工艺---一种清洁生产工艺,最近却得到广泛的关注并表现出巨大的发展潜力

市场需求的匮乏、回收成本的高昂以及产品性能与原生材料相比较低是复合材料回收商业化的最大阻碍,同样制约了再生复合材料产品在汽车、航空航天、其它工程和消费领域的应用。环保政策虽然对材料的回收技术开发起到推动作用,但仍需要长期的技术研发过程。

目前,复合材料回收技术急需在以下三个方面实现突破性的创新:

(1)研发易于回收的新型复合材料;

(2)研发效率更高的分离纯化技术;

(3)研发可以使用再生纤维的复合材料生产技术,至少可以部分替代原生纤维。进一步的创新性研究希望能够在分离和回收技术方面得到突破并最终实现复合材料的回收,开发出更多可回收的复合材料。不久的将来不难想象会出现全复合材料汽车,甚至会实现全部用再生材料生产的汽车。

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