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復(fù)合材料回收技術(shù)進展論文-展示頁

2025-07-04 19:45本頁面
  

【正文】 涂料和巴爾杉木的存在對成型產(chǎn)品的強度、斷裂延伸率和沖擊強度有一定的不利影響,但在巴爾杉木含量較低的情況下卻對產(chǎn)品模量和沖擊強度有一定的提高。這艘用于實驗的剛性充氣船RIB(一種具有堅硬外殼的橡膠制船)由玻纖維增強聚丙烯樹脂夾層復(fù)合構(gòu)成,夾層材料采用刷有涂料的巴爾杉木。如果可以實現(xiàn)熱固性復(fù)合材料的澆鑄成型,將帶來其在商業(yè)化應(yīng)用和市場開拓上面新的一波增長勢頭,不斷增長的市場份額必將使人們更加重視熱固性復(fù)合材料回收循環(huán)利用。在很多應(yīng)用領(lǐng)域,與材料本身的性能優(yōu)勢相比,熱固性復(fù)合材料在回收循環(huán)利用方面的劣勢更為突出,成為了其在未來市場開發(fā)過程中的一大阻礙。熱塑性復(fù)合材料的回收大都集中在熱塑性塑料和聚合物上,所以在下面不再過多闡述。多數(shù)纖維增強熱固性復(fù)合材料回收技術(shù)都要在一開始先將復(fù)合材料通過機械手段粉碎成顆粒,但研磨及后續(xù)的生產(chǎn)過程對纖維造成的損傷卻降低了原有纖維的性能[15]。報廢產(chǎn)品過程廢料收集和運輸分離復(fù)合材料收集和運輸復(fù)合材料回收(機械、熱、化學(xué))再生產(chǎn)品:纖維、填料、基體、燃料可回收復(fù)合材料碎片市場推廣圖4 復(fù)合材料回收過程 熱塑性復(fù)合材料的回收與熱固性復(fù)合材料相比,雖然其市場份額小得多,但其具有高韌性,耐化學(xué)腐蝕,生產(chǎn)周期短以及易于回收的優(yōu)勢。(4)再生材料的市場需求:與其它制約因素相比,回收材料的市場需求匱乏仍是最大的問題。(3)后處理回收:此過程是整個回收工藝鏈的核心步驟,可以根據(jù)復(fù)合材料種類的不同,使用機械、高溫或化學(xué)回收方式進行。報廢汽車可經(jīng)過簡單的拆解后送到粉碎工廠,但由于報廢飛機的體積龐大則需要在現(xiàn)場先拆卸并分隔成可以運輸?shù)母〉牟考?。?)收集和運輸:報廢產(chǎn)品的收集和運輸是整個回收過程的關(guān)鍵的第一步,所以首先要建立一套適當(dāng)并高效的報廢產(chǎn)品和過程廢料的收集和運輸系統(tǒng)。表1 復(fù)合材料回收技術(shù)概述復(fù)合材料類別回收技術(shù)技術(shù)特點技術(shù)現(xiàn)狀熱塑性樹脂基復(fù)合材料重融重塑法纖維與基體不需要分離還需要在生產(chǎn)過程廢料的回收上開展大量的研究再次研磨后磨壓或注射成型是否已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)還不確定再生材料產(chǎn)品成圓球或薄片回收過程纖維受損,再生纖維性能降低化學(xué)回收需要使基體溶解此類研究不多回收過程纖維受損,再生纖維性能降低熱處理通過燃燒或焚化回收熱量此類研究不多或者報導(dǎo)太少熱固性樹脂基復(fù)合材料機械回收粉碎-研磨-精磨有商業(yè)化案例產(chǎn)品為再生纖維和填料ERCOM公司(德國)再生纖維性能降低Phenix Fibreglass公司(加拿大)熱回收通過燃燒或焚化回收熱量有發(fā)展前景通過硫化床熱處理技術(shù)回收纖維通過熱分解技術(shù)回收纖維和基體發(fā)展受困于再生纖維的市場需求化學(xué)回收通過化學(xué)方式溶解基體研究僅在試驗室階段醇解(超臨界有機溶劑)/水解(超臨界水)有發(fā)展前景可回收得到高性能的纖維,也可能得到樹脂溶劑不易回收,可造成污染金屬基復(fù)合材料重熔-鑄錠壓鑄生產(chǎn)廢料,可直接重熔-鑄錠金屬基復(fù)合材料價格遠高于金屬合金和增強材料鑄造生產(chǎn)廢料,直接重熔提純(氬氣中)重點研究金屬基復(fù)合材料的回收循環(huán)利用碎片質(zhì)量較差,重熔-精煉-脫氣提純碎片質(zhì)量非常差,只對材料重熔后分離出增強材料 通用技術(shù)作為工業(yè)材料回收的一般規(guī)律,回收工藝過程中的每個步驟都是環(huán)環(huán)相扣的,任何一個步驟的失敗都將導(dǎo)致整個回收過程的失敗,具體步驟見圖4 :(1) 將復(fù)合材料粉碎成可回收的碎片:作為回收生產(chǎn)使用的原材料,這些碎片可以來自報廢產(chǎn)品和生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢料。同時,人們也在開發(fā)熱塑性樹脂基和金屬基復(fù)合材料的回收技術(shù)[14]。Pickering[12]和Job[13]的文章針對熱固性復(fù)合材料的回收技術(shù)的發(fā)展進行了概述性的分析。最近Goodship[10]也發(fā)表了一篇論文,對復(fù)合材料的回收技術(shù)進行了更為全面的分析。伴隨著不斷增長的市場未來需求和更加嚴(yán)格的環(huán)保法規(guī)的陸續(xù)出臺,在過去十多年里有許多復(fù)合材料回收技術(shù)相繼研發(fā)成功。不久的將來不難想象會出現(xiàn)全復(fù)合材料汽車,甚至?xí)崿F(xiàn)全部用再生材料生產(chǎn)的汽車。目前,復(fù)合材料回收技術(shù)急需在以下三個方面實現(xiàn)突破性的創(chuàng)新:(1) 研發(fā)易于回收的新型復(fù)合材料;(2) 研發(fā)效率更高的分離純化技術(shù);(3) 研發(fā)可以使用再生纖維的復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù),至少可以部分替代原生纖維。市場需求的匱乏、回收成本的高昂以及產(chǎn)品性能與原生材料相比較低是復(fù)合材料回收商業(yè)化的最大阻礙,同樣制約了再生復(fù)合材料產(chǎn)品在汽車、航空航天、其它工程和消費領(lǐng)域的應(yīng)用。由于化學(xué)回收缺乏靈活性、生產(chǎn)中產(chǎn)生化學(xué)廢料,導(dǎo)致其當(dāng)前并沒有得到積極的研究。此方法可以生產(chǎn)出可再次使用的纖維和無機填料,并可將熱裂解、氣化和氧化過程中產(chǎn)生的熱量作為二次能源使用,但熱回收過程也使得纖維和顆粒的性能不同程度的降低。機械回收要先將復(fù)合材料切碎和造粒,然后再篩分成可再次使用的富纖維和富樹脂顆粒,該方法需要消耗大量能源而且產(chǎn)品性能較低。最近歐盟關(guān)于報廢車輛[2]、報廢電子電氣設(shè)備[3]處理的指導(dǎo)性意見的出臺,必將加大復(fù)合材料回收技術(shù)的市場需求,并最終實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。復(fù)合材料回收中最基本的問題就是如何將其分解成均勻的顆粒,分離過程一直受到纖維或其它增強材料、基體(尤其是熱固性樹脂基體)或粘合劑的制約。回收循環(huán)利用可以節(jié)約復(fù)合材料用增強材料和基體的生產(chǎn)資源和能源消耗。究其原因,主要是由復(fù)合材料的基體和增強材料的異相性造成的,其中熱固性樹脂基復(fù)合材料更加難以再循環(huán)利用。圖2 復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用比例圖3 復(fù)合材料在歐洲各國的市場份額工業(yè)材料的回收再利用有助于整個工業(yè)進程的可持續(xù)發(fā)展。圖3為2000年復(fù)合材料在歐洲各國的市場份額分解圖。提高汽車燃油效率的關(guān)鍵手段就是減輕重量,作為復(fù)合材料應(yīng)用最多的領(lǐng)域,復(fù)合材料(車身、內(nèi)飾、底盤、引擎蓋和電氣組件)的使用量增長迅猛。復(fù)合材料首先在國防和航空領(lǐng)域得到了應(yīng)用,當(dāng)前絕大多數(shù)的戰(zhàn)斗機所使用復(fù)合材料的重量比已經(jīng)超過了50%。按照增強材料分類類按照基體分類陶瓷基復(fù)合材料(CMC)有機基體復(fù)合材料(OMC)金屬基復(fù)合材料(MMC)聚合物基復(fù)合材料(PMC)碳基復(fù)合材料(CMC)熱塑性復(fù)合材料熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料顆粒增強復(fù)合材料料纖維增強復(fù)合材料料疊層復(fù)合材料夾芯復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料圖1 復(fù)合材料分類若按產(chǎn)值計算,目前兩個較大的復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域分別為汽車工業(yè)(超過30%)和航空工業(yè)(超過20%)。準(zhǔn)確的統(tǒng)計全球復(fù)合材料的產(chǎn)量有很大難度,估計2000年的全球產(chǎn)量大約為700萬噸,2006年很有可能便已經(jīng)達到了1000萬噸[1]。按照增強材料形態(tài),復(fù)合材料又可分為:顆粒增強復(fù)合材料、纖維增強復(fù)合材料和疊層復(fù)合材料。 引言復(fù)合材料為設(shè)計工程師們提供了高性能和長壽命的材料,憑借其高強、輕質(zhì)和低維護的優(yōu)點復(fù)合材料在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,為交通運輸工具節(jié)能減排做出的貢獻最為突出。為了更好的推進復(fù)合材料回收技術(shù)發(fā)展,需要加大回收技術(shù)的創(chuàng)新性研發(fā)力度,研發(fā)發(fā)出更加高效的復(fù)合材料分離技術(shù)。目前多項復(fù)合材料回收技術(shù)已相繼研發(fā)出來,其中大多關(guān)注增強材料的回收,但都未完成商業(yè)化生產(chǎn),主要包括以下三種方法:機械回收、熱回收和化學(xué)回收。復(fù)合材料回收技術(shù)進展摘要:復(fù)合材料雖然在汽車、航空航天和再生能源等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但是由于復(fù)合材料自身固有的異相性,特別是熱固性樹脂基復(fù)合材料,致使復(fù)合材料沒有得到妥善的回收。廢棄物處理的相關(guān)法規(guī)在當(dāng)前和以后都會要求將汽車、風(fēng)力發(fā)電機和飛機等使用的工業(yè)材料在報廢后能夠得到妥善的回收,工業(yè)材料的最終回收再利用可以達到節(jié)省資源和能源的目的。復(fù)合材料回收技術(shù)商業(yè)化最大的阻礙在于再生材料的市場需求匱乏、高昂的回收生產(chǎn)成本以及再生材料性能的降低。通過復(fù)合材料設(shè)計、復(fù)合材料生產(chǎn)生產(chǎn)、廢棄物管理、新研發(fā)的分離和回收技術(shù)這五方面的共同努力,在不久的將來復(fù)合材料的回收就會真正的實現(xiàn),并進一步開發(fā)出更易回收的復(fù)合材料。一般來講,復(fù)合材料可以分為以下三類:聚合物基復(fù)合材料(PMC)、金屬基復(fù)合材料(MMC)、陶瓷基復(fù)合材料(CMC)。以上兩種復(fù)合材料的分類方式見圖1。在眾多種類的復(fù)合材料中,聚合物基復(fù)合材料占居了絕大多數(shù)的市場份額,其中熱固性復(fù)合材料就超過了2/3,不過最近幾年熱塑性復(fù)合材料的市場占有率正在快速增長。圖2列舉了2000年復(fù)合材料產(chǎn)值在不同應(yīng)用領(lǐng)域的占比。復(fù)合材料最近已經(jīng)成為新一代復(fù)合材料飛機的主要材料,例如波音夢幻客機787(復(fù)合材料53%)、空客A380(復(fù)合材料25%)以及未來的空客A350(復(fù)合材料53%)。此外,在體育休閑、造船、風(fēng)力發(fā)電和近海油氣田開發(fā)中也得到了廣泛應(yīng)用。如圖所示,德國的使用量最大,意大利和法國緊隨其后,這三個國家一共占有歐洲60%的市場份額,與這三個國家強大的汽車和航空航天工業(yè)密不可分。目前,金屬、玻璃、熱塑性塑料等眾多工業(yè)材料都得到了很好的回收再利用,而作為特種材料的復(fù)合材料卻沒有(包括基體和增強材料)。當(dāng)下和以后的廢棄物處理的相關(guān)法規(guī)都要求將報廢車輛中的所使用的工業(yè)材料進行回收再利用。礙于技術(shù)和經(jīng)濟可行性兩方面因素,目前主流復(fù)合材料回收技術(shù)僅有極少數(shù)實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)。因此,回收過程絕大多數(shù)情況下只能將復(fù)合材料轉(zhuǎn)化為熱量,極少能分離出纖維。各種各樣的復(fù)合材料回收技術(shù)在大量的研究過程中應(yīng)運而生,主要有以下三類技術(shù):機械回收、熱回收和化學(xué)回收,這些技術(shù)都有待于商業(yè)化推廣。熱回收則是利用高溫(300~1000℃)分解樹脂,并分離出增強纖維和填料?;瘜W(xué)回收旨在通過化學(xué)解聚分離出纖維并進一步利用溶劑溶解樹脂得到可使用的纖維。然而,超(近)臨界液體工藝一種清潔生產(chǎn)工藝,最近卻得到廣泛的關(guān)注并表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿4-6]。環(huán)保政策雖然對材料的回收技術(shù)開發(fā)起到推動作用,但仍需要長期的技術(shù)研發(fā)過程。進一步的創(chuàng)新性研究希望能夠在分離和回收技術(shù)方面得到突破并最終實現(xiàn)復(fù)合材料的回收,開發(fā)出更多可回收的復(fù)合材料。 復(fù)合材料回收工藝概述受到工藝和經(jīng)濟可行性、環(huán)境污染三方面因素的制約,目前僅有極少數(shù)的復(fù)合材料回收工業(yè)化的案值。Henshaw[7,8]等對復(fù)合材料回收技術(shù)進行了全面的介紹,Pimenta[9]等對建筑用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的回收技術(shù)和市場進行了展望。 復(fù)合材料手冊已經(jīng)收錄了關(guān)于復(fù)合材料回收技術(shù)方面的文章[11]。由于樹脂基復(fù)合材料占有絕大多數(shù)的市場份額,此類復(fù)合材料的回收得到了更多的關(guān)注,其中大量的研究是關(guān)于熱固性樹脂與增強纖維的分離技術(shù)。表1列舉了各種復(fù)合材料早期的回收技術(shù)。與金屬和其它高分子材料相比,樹脂基復(fù)合材料在整個工業(yè)生產(chǎn)過程和報廢產(chǎn)品中占比較少,而其它金屬基、陶瓷基復(fù)合材料就更少,汽車和飛機的使用壽命又長達10到50年之久,這就導(dǎo)致復(fù)合材料回收短時間內(nèi)很難產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。目前,報廢汽車和飛機的收集工作已經(jīng)在有條不紊的進行,這些報廢產(chǎn)品按照體積大小的分類后運到回收工廠。提高小型電子產(chǎn)品和體育休閑產(chǎn)品的收集效率依然是一項目具有挑戰(zhàn)性的工作。雖然多數(shù)的研究都集中在此階段,但不幸的是,目前可行的技術(shù)手段都難以滿足再生材料性能、環(huán)保法規(guī)和經(jīng)濟效益的要求,仍需要繼續(xù)努力研發(fā)發(fā)更高效的分離技術(shù)。再生材料與原生材料相比要有較高的性能和價格優(yōu)勢才能迅速打開市場,相關(guān)的技術(shù)開發(fā)都在圍繞這個方向在進行。由于其可以在加熱后重新成型,熱塑性復(fù)合材料可以直接再次熔融并澆鑄得到高市場價值的材料[8]
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