Tecnologia di riciclaggio dei compositi in fibra di carbonio: alla guida di una nuova era di riciclaggio dei materiali
Nov 05, 2024
I compositi in fibra di carbonio (CFRP) sono stati ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico ed eolico per le loro eccellenti proprietà, come resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, elevata resistenza specifica e modulo specifico e buona progettabilità. Tuttavia, una grande quantità di rifiuti di materiali compositi termoindurenti in fibra di carbonio non solo occupa terreni industriali, ma inquina anche l’ambiente, quindi la sua tecnologia di riciclaggio è diventata un punto caldo di ricerca in patria e all’estero.
1. Tecnologia di riciclaggio dei materiali compositi in fibra di carbonio
I compositi in fibra di carbonio (CFRP) sono stati ampiamente utilizzati nei settori aerospaziale, automobilistico ed eolico per le loro eccellenti proprietà, come resistenza alla corrosione, resistenza alla fatica, elevata resistenza specifica e modulo specifico e buona progettabilità. Tuttavia, una grande quantità di rifiuti di materiali compositi termoindurenti in fibra di carbonio non solo occupa terreni industriali, ma inquina anche l’ambiente, quindi la sua tecnologia di riciclaggio è diventata un punto caldo di ricerca in patria e all’estero.
La tecnologia di recupero del CFRP è principalmente suddivisa in recupero meccanico, recupero da pirolisi, recupero chimico e alcuni altri tipi di metodi di recupero. Lo sviluppo, i vantaggi e gli svantaggi della tecnologia di riciclaggio CFRP sono mostrati nella Figura 1.
2.CF Nuova politica di bonifica
Oltre ai rifiuti CFRP, un altro tipo comune di rifiuti sono le fibre secche prodotte in fase di produzione. Queste fibre di scarto provengono principalmente da ritagli, bande di rocche e lembi di distribuzione parziale. Si stima che le fibre secche rappresentino circa il 40% del totale dei rifiuti CF. Poiché non sono ancora incorporate in alcuna matrice polimerica, le fibre secche presentano le stesse proprietà del vCF. Data la produzione di questa grande quantità di rifiuti preziosi, i ricercatori stanno lavorando attivamente per sviluppare nuove strategie di riciclaggio, tra cui, ma non solo, la filatura del CF in filati, la produzione di tessuti non tessuti e l’utilizzo di una miscela di CF riciclato e CF nativo per produrre materiali non tessuti. -tessuti aggraffati-preimpregnati.
1) Filato misto a base di rCF
In condizioni specifiche del telaio, il materiale è stato riscaldato a 280 gradi C e mantenuto per 30 minuti per preparare con successo il materiale composito richiesto. Gli studi hanno dimostrato che la fase di miscelazione dell'aria nel processo di miscelazione migliora efficacemente l'uniformità del nastro e del filato. Tuttavia, questo processo di miscelazione provoca anche danni più significativi alla fibra di carbonio (CF), poiché la lunghezza complessiva del CF nel filato viene ridotta. Un'analisi approfondita delle proprietà meccaniche del filato ha rivelato che i filati senza miscelazione d'aria hanno mostrato una maggiore tenacità, principalmente a causa della riduzione del numero di fibre rotte e della conservazione della lunghezza complessiva delle fibre durante la preparazione. Ulteriori ricerche mostrano che la lunghezza iniziale della fibra ha un effetto negativo sulle proprietà del filato, poiché è direttamente correlata alla lunghezza finale della fibra dopo la lavorazione nella struttura del filato. Nello specifico, i filati preparati con CF da 80 mm presentano la lunghezza media della fibra più lunga, conferendo loro una tenacità superiore. Allo stesso modo, il composito unidirezionale (UD) composto da CF da 80 mm e PA6 ha una resistenza alla trazione fino a 800 mpa, che è la migliore prestazione nella classe dei filati preparati.
Hengstermann et al. hanno studiato approfonditamente gli effetti della lunghezza iniziale delle fibre e del rapporto di miscelazione sulle proprietà e caratteristiche del filato dopo la cardatura. Regolando i parametri della carda, inclusa la distanza tra i rulli cardanti e la dimensione dell'ago, hanno mescolato manualmente le fibre CF e PA6 in due lunghezze di 40 mm e 60 mm in base al rapporto volumetrico di 30%, 50% e 70 %. Dopo la cardatura, la rete in fibra CF/PA6 viene quindi sottoposta a un processo di combinazione e filatura con una turbina volante per produrre infine un filato misto. Nel processo di lavorazione, è inoltre necessario regolare con precisione i parametri di stiro e filatura, come velocità di alimentazione, rapporto di stiro, materiale del rullo e numero di torsione, per ridurre il possibile danno al CF. I risultati mostrano che sia la lunghezza iniziale della fibra che il contenuto di CF hanno effetti significativi sulle caratteristiche finali della rete cardante, del nastro e del filato. I filati realizzati con CF più lunghi mostrano un migliore allineamento, minore pelosità, maggiore tenacità e minore allungamento rispetto ai filati realizzati con CF da 40 mm.
Ciò è dovuto principalmente al fatto che le fibre più lunghe si allineano più facilmente durante la cardatura e il grado di danneggiamento e perdita è inferiore. Inoltre, la presenza di CF più lunghi nel filato e l'aumento di volume del PA6 favoriscono la coesione tra le fibre e migliorano la qualità della filatura del nastro. Si è inoltre riscontrato che l'orientamento del CF nel filato, la lunghezza del CF e la torsione del filato hanno effetti positivi sulla resistenza alla trazione finale del composito UD. In generale, la lunghezza delle fibre e la torsione del filato mostrano una relazione inversa con la resistenza complessiva del composito sviluppato, principalmente a causa della loro influenza sul contenuto finale di CF e sulla lunghezza del composito, nonché sulla regolazione della penetrazione del polimero durante la pressatura a caldo.
Figura 2: Processo di cardatura per la preparazione della miscela rCF/PA6
Per ridurre ulteriori danni alla fibra di carbonio (CF) durante la filatura, Xiao et al. riportano lo sviluppo di una lastra termoplastica rinforzata con fibra di carbonio (CWT) a rete fissata che può essere applicata direttamente al processo Mosaic. La strategia prevede la miscelazione di rifiuti CF di 60 mm di lunghezza con una fibra di poliammide (PA) con una struttura nucleo-guscio, in cui il guscio è costituito da un copolimero di poliammide 6 (PA6) -polietilene (punto di fusione 136 gradi C) e il materiale del nucleo è poliammide 66 (PA66). Nel processo di miscelazione, la miscela di fibre CF e PA viene proporzionata con la frazione volumetrica CF del 20%, 30% e 40% e quindi pettinata per formare una rete di pettinatura. A 110 gradi C, la rete di cardatura viene stabilizzata mediante processi di trafilatura e calandratura, durante i quali lo strato esterno della fibra PA matrice viene fuso per formare una determinata struttura adesiva nella rete di fibre, e infine viene prodotto il foglio CWT. In particolare, il processo di allungamento (30-60%) ha svolto un ruolo chiave nel migliore allineamento del CF a fibra corta nel foglio CW-T. Nelle condizioni di pressione di 280 gradi e 5-9 MPa, il foglio sviluppato viene utilizzato per la formatura di pannelli mediante il metodo di formatura a compressione. Il modulo di trazione del foglio compresso arriva fino a 45,6 GPa. L'aumento del contenuto di CF nel CWT migliora la resistenza alla trazione e il livello del modulo, e l'aumento del rapporto di trazione aiuta anche a migliorare la resistenza alla trazione del longitudinale principale.
2) Non tessuti e preimpregnati a base di RCF
Un altro modo efficace per riciclare la fibra di carbonio di scarto è applicarlo alla produzione di reti in tessuto non tessuto, il che mostra il grande potenziale per il riciclaggio della fibra di carbonio di scarto in prodotti ad alto valore aggiunto. EGL Carbon Fiber nel Regno Unito ha industrializzato e ottimizzato con successo la produzione di feltro non tessuto rCF con una capacità annua di 250 tonnellate per un'ampia gamma di applicazioni nel settore automobilistico.
3.Conclusione e prospettive future
In questo documento vengono esaminati i metodi di riciclaggio dei compositi rinforzati con fibra di carbonio (CFRC) e vengono discusse in modo approfondito le strategie di trattamento dei rifiuti di fibra di carbonio generati durante la produzione a secco. Su questa base, la tecnologia della pirolisi e della lavorazione ha attirato molta attenzione grazie al suo potenziale di applicazione industriale. Tuttavia, la ricerca attuale è ancora impegnata a migliorare le prestazioni delle fibre riciclate e si sforza di ottenere proprietà che possano essere infinitamente vicine a quelle della fibra di carbonio originale.
La ricerca futura dovrebbe concentrarsi sui seguenti aspetti: in primo luogo, esplorare un nuovo metodo di utilizzo della fibra riciclata per produrre materiali compositi; Il secondo è ottimizzare l'interazione dell'interfaccia tra fibra e matrice. Il terzo è migliorare continuamente il processo di riciclaggio. Inoltre, anche lo sviluppo di prodotti a valore aggiunto come tessuti non tessuti e filati con fibre riciclate come materie prime rappresenta una direzione chiave per il futuro. Per il trattamento dei rifiuti secchi di fibra di carbonio, lo sviluppo di filati misti e non tessuti mostra buone prospettive, ma il miglioramento delle proprietà meccaniche dei prodotti rappresenta ancora una sfida importante.
In sintesi, il campo del riciclaggio dei prodotti a base di fibra di carbonio è in una fase di rapido sviluppo e svolgerà un ruolo chiave nel promuovere la creazione di un approccio di economia circolare delle fibre ad alta tecnologia. Pertanto, in futuro saranno necessarie ulteriori ricerche per migliorare la qualità delle fibre e ridurre l’impatto ambientale negativo del processo di riciclaggio
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