加载中…
个人资料
高分子达人
高分子达人
  • 博客等级:
  • 博客积分:0
  • 博客访问:33,317
  • 关注人气:11
  • 获赠金笔:0支
  • 赠出金笔:0支
  • 荣誉徽章:
相关博文
推荐博文
谁看过这篇博文
加载中…
正文 字体大小:

(收藏版)复合材料回收技术进展——复材设计篇

(2014-12-13 10:43:22)
标签:

杂谈

版权归碳纤维资讯所有,转载请注明:来自微信公众平台(碳纤维资讯)cfrp888

获取全部文档请加微信zahawe

更加易于回收的复合材料

4.1 机遇和挑战

复合材料的设计本身就已经决定了其回收的难易程度,涂料和复合材料要获得优异的力学性能必须要进行复杂的结构设计,还要其便于分离并具有较好的可回收性,这本身就是自相矛盾的事情。整个材料工业必须先从两个层面来考虑复合材料的回收问题:一是对在役复合材料的回收技术研发;二是开发更加易于回收的新一代复合材料。

在役的复合材料面临的难题是,如何开发一种低成本、高效率的回收技术。要实现这一目标,在商业化道路上有很多障碍:

(1)有效的回收技术,包括纤维、填料和基体的回收;

(2)材料回收工业的规模要与待回收的复合材料废料数量相匹配;

(3)再生材料在当前复合材料应用中要具有适用性;

(4)禁止垃圾填埋和焚烧处理法令的出台;

(5)回收生产成本及其将造成的环境负荷控制在可以接受的程度;

(6)要确保复合材料回收工业的盈利能力和可持续发展。

要克服以上这些发展障碍,Pimenta等人觉得要解决以下几个问题:在全球范围内有组织的联合复合材料生产企业、复合材料产品使用方、回收厂商和研究人员共同的努力;需要政府的政策来鼓励回收厂商,对复合材料填埋处理的企业进行惩罚并对积极回收复合材料的企业进行奖励;制定恰当的政策支持回收技术的发展并对材料处理和能量回收制定限额管理制度(类似于欧盟的报废车辆处理法令)[2];各方面通力合作,对复合材料废料进行分类和预分离,建立持续稳定的复合材料碎片供应链;确定再生材料的目标市场和价格;对回收工艺过程和再生材料进行寿命周期分析;最重要的问题是在相继解决以上几个问题的同时如何开拓再生材料的应用市场。

新一代更易回收的复合材料的开发同样是材料科学家、制造商和材料应用行业面临的挑战。相比之下,进一步开发热塑性树脂基复合材料应该会有一定的发展前景。此外,增强材料与基体的性质相同或者相似的情况下,也可以便复合材料更易回收,聚合物复合材料(polymer-polymercomposites)就是一个很好的例子,但是开发聚合物复合材料的系列化产品,并在目前复合材料应用市场中拓展其应用领域还需要很长的路要走。

聚合物复合材料是一种新型复合材料,可以通过对聚合物颗粒进行表面改性处理使原本相容性不好的聚合物相互结合。改性后的颗粒与不同的聚合物相结合可以产生很奇特的复合材料,制造过程中伴随的材料性能可自由变化的特征,可以对复合材料进行个体化定制。聚合物复合材料已经实现了物理性能的定制。

由于其本身存在的多相性,复合材料回收技术的设计和回收生产迄今为止仍是一件非常困难并具有挑战性的工作。基本上热塑性树脂和金属基体都具有可重熔和重塑的特性,只有这两种复合材料的生产过程废料可以在不改变其原始形态的情况下进行回收和再次使用。对于大多数热固性树脂基复合材料来说,不可能再次直接用于复合材料生产,因此只有对其组分,如增强纤维、填料、树脂等进行回收,得到的再生材料才可以用于复合材料的生产。大多数情况下,由于再生增强纤维性能在回收生产中损失不少,其无法再用于同类型复合材料的生产,只能应用于低端复合材料领域。

就目前回收技术实际发展情况而言,除非采用化学方法使树脂解聚合,否则无法保证再生纤维性能与原生纤维保持一致。虽然热分解回收得到的再生碳纤维性能仅有较小的损失,但要使用再生碳纤维生产同类型的复合材料仍是一项待攻克的技术难题。化学分解技术可以分离出复合材料的各个组分,但其还处于研究阶段,无法实现商业化生产。多数科研人员认为,只有化学分解技术才能实现真正意义上的复合材料回收,但一定要将回收过程对环境的影响控制到最低限度,控制再生增强材料和再生树脂的生产成本达到市场可接受的水平。

4.2 工业化前景

尽管复合材料回收在商业化道路上遇到了包括回收技术适用性、环境影响和经济性三方面在内的许多障碍,复合材料回收企业和复合材料使用方(如汽车生产商和航空制造业)仍在持续不断的努力。鉴于热固性复合材料回收技术有很多技术上的难点,下面的讨论将更多的涉及热塑性复合材料。

热塑性复合材料的回收至今仍没有实现商业化生产,但这并不意味着这些回收技术是没有效果的,其商业化最大的阻碍是再生材料应用市场的匮乏和较差的市场赢利能力。对于复合材料回收商业化发展的历史和前景,Pickering[12]Pimenta[9]最近都发表了相关文章,本文也做了简要的描述。

4.2.1 机械回收技术

两个已经实现工业化回收生产的企业分别是德国的ERCOM公司和加拿大的PhoenixFibreglass 公司[12],回收过程包括粉碎、研磨、再生材料分类。ERCOM公司使的是可移动式粉碎机和锤式研磨机,PhoenixFibreglass 公司则是先将复合材料进行两次粉碎,对碎块进行分类后再研磨。但由于再生材料的市场匮乏,无法实现盈利,1996年,ERCOM公司已经倒闭,PhoenixFibreglass 公司也停止了复合材料的回收生产。再生材料的市场价格相对较低,机械回收的重点多集中在玻璃钢上面。同时,再生短纤维含有很多杂质,要么只能用做填料,要么只能用于生产低端复合材料。

欧洲复合材料回收技术服务公司(ECRC)开发出了适用于汽车行业的机械回收技术。复合材料行业的几个核心技术人员在2003年组建了欧洲复合材料回收技术服务公司,目的就是要解决欧盟关于禁止报废车辆填埋法令带来的一系列问题[43]。欧洲复合材料回收技术服务公司目前正在致力于建立一条完整的复合材料回收产业链:从车辆报废后复合材料的收集到机械回收生产整个过程的低成本过程控制,到使用再生材料生产适用于汽车的复合材料。此类再生纤维也得到水泥/石膏生产企业的关注,因为用于地面和墙体的聚酯涂料具有高碱性,这时可以通过向水泥和石膏中添加再生纤维来提高其耐碱性。事实已经证明,再生纤维对于热塑性复合材料来说是一种具有相当技术优势的填料,可以为复合材料带来额外的附加收益。20086月的一篇报导预测,再生聚丙烯团状模塑料产品可以率先在汽车行业实现商业化应用,但具体发展情况不为人知。

4.2.2 热分解回收技术

相比之下热分解技术更适用于碳纤维/玻璃纤维增强树脂基复合材料的回收。虽然树脂可以被回收做作二次燃料和聚合原料,但实现纤维的成功回收才是热分解技术发展的原动力和最终目标。树脂往往只是直接做作热分解回收生产中的二次燃料,或者分离后用于火力发电。

见诸报导的有三个热分解技术商业化案例[9]:再生碳纤维有限公司(RFCL)、JCMA公司和MIT-RCF公司。其中,英国的再生碳纤维有限公司是全球第一家实现连续化生产再生碳纤维的企业。为了避免复合材材料的炭化,RFCL公司的整个生产过程是在有惰性气体保护的连续直通炉中进行,树脂得到了充分的二次燃烧并按照相关法规对尾气进行了净化处理[9]RFCL公司已经成功对各种形式的复合材料进行了回收,为了在不改变增强材料结构形态情况下直接回收整卷预浸料,该公司还设计了大口径的连续直通炉。RFCL公司最近还成立了绿色碳纤维有限公司(GCF),主要生产再生短纤维和再生纤维粉末。

据增强塑料网2010330日的报导[51],再生碳纤维有限公司(RCFor RCFL)在英国的西米德兰兹郡建成了世界上第一家可回收连续碳纤维的工厂,该工厂每年可回收碳纤维复合材料废料2000吨。另外,RCF公司还计划在美国建立第二家回收工厂,并于201011月竣工。届时,在美国收集整理的复合材料废料可以在英国进行回收处理。

4.2.3 化学回收技术

与机械回收和热回收技术相比,化学回收技术远没有那么完善,最近才刚刚开展了针对不同溶济的化学溶解体系的实验性研究,其潜在的环境影响(有害污水的排放、碱性催化剂的使用和处置)还有待解决。但仍值得继续在工艺放大上做工作,考虑到超临界水的环保特性,使用超临界水会有更好的发展前景。化学回收不会对再生产品的性能造成损失,再生树脂完全可以用来生产新的复合材料,如果化学回收技术在环保和成本这两个问题能够得到解决,将具有巨大的发展潜力。增强材料和基体材料终将可以实现真正意义上的回收,当然,树脂基本要通过三级回收才能用做复合材料的生产原料。

4.3 未来的研发工作需要多学科的支持

要实现复合材料技术商业化这一伟大目标必须结合多学科的相关知识,同时在以后的研究中材料设计人员、材料生产厂商、产品设计和回收厂商的共同努力也是必不可少的。

对于复合材料应用市场的发展来说,市场对更易回收的复合材料的需求十分迫切,虽然这与工业应用对复合材料特性和性能的较高要求有所矛盾,这就需要一次开创性的技术革新。所有领域的复合材料零部件的生产过程都需要进行改进,减少废品率的同时可以更多的使用再生纤维和填料进行生产。就已经讨论过的回收技术而言,无论是机械回收、热回收还是化学回收,都需要进一步提高回收效率和再生材料质量,减少对环境的影响并提高其盈利能力。

要实现真正意义上的复合材料回收,需要解决下面三个难题:

(1)复合材料中基本组分的分离;

(2)终端产品的设计和制造要考虑到复合材料的可回收性;

(3)优化再生复合材料的性能。

第一个问题的解决重点要放在进一步开发针对报废产品的高效率的预分离技术(物理分离、化学分离和加热分离)。这项技术的研发要从汽车、飞机和风力发电机这三个已经大量使用复合材料的工业领域开始进行。其中,产学研高度合作的研发模式非常重要,可以加速这一难题的解决。

复合材料的设计和加工过程是否考虑了复合材料能否回收这个问题是第二个关键因素。复合材料的可回收性所带来的经济效益自不用提,但这个问题却没有得到太多的重视。材料能否可回收是未来材料研发和产品制造过程中解决的首要任务,举例来说,采用化学性质相近的纤维和基体加工的热塑性复合材料会大大提高产品的可回收性。复合材料的最终的目标性能与其可回收性是两个矛盾的问题,未来的发展需要新的革新理念来解决这一问题。

第三个关键因素是再生复合材料的质量问题。多种回收技术都会导致再生材料性能的损失,其中再生增强纤维性能的降低最为明显,带来的应用市场的匮乏严重的制约了复合材料回收技术的发展。要解决这个问题可以从两方面着手:(1)提高再生材料的性能;(2)降低复合材料原材料的使用门槛,更多的使用再生纤维和再生树脂。

0

阅读 评论 收藏 转载 喜欢 打印举报/Report
  • 评论加载中,请稍候...
发评论

    发评论

    以上网友发言只代表其个人观点,不代表新浪网的观点或立场。

      

    新浪BLOG意见反馈留言板 欢迎批评指正

    新浪简介 | About Sina | 广告服务 | 联系我们 | 招聘信息 | 网站律师 | SINA English | 会员注册 | 产品答疑

    新浪公司 版权所有