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回收ℱ碳纤维的回收与生产哪个容易?

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美国Carbon Fiber Recycling公司近日传来消息,公司正在美国田纳西州Tazewell兴建一座碳纤维回收工厂,每年可回收2000吨碳纤维材料。


该公司致力于从各种渠道获得的复合材料废料中,使用连续热解设备除去环氧树脂和上浆剂等化学品,回收所需的碳纤维材料。然后将其进行研磨或将其加工成形态各异的短切碳纤维。“我们的理念是全部回收(包括粒料、塑料等),零浪费,”Carbon Fiber Recycling销售总监Tim Spahn表示说,“在我们这里不存在任何‘废料’。”


该公司在旗下位于康涅狄格州Bethel的工厂早已建有一条试验线。在经过长期验证后,技术日趋成熟,公司才决定在田纳西州兴建碳纤维量产回收工厂。


高效率回收仍

面临技术难关

   


 

飞机上的碳纤维复合材料

废弃物的回收和再循环碳纤维在汽车上的应用


该研究的第一作者Mengran Meng说:“与原生碳纤维生产相比,碳纤维回收减少了对环境的影响,但对潜在回收技术和回收碳纤维利用的经济可行性的认识有限。”


目前,大多数用于回收利用的碳纤维来自航空航天部门,到2030年,6000-8000架飞机即将结束生命。废弃飞机填埋和焚烧碳纤维增强材料导致成本增加收益降低,所以回收利用可能是一个非常有吸引力的选择。


回收需要两个阶段:首先必须从碳纤维复合材料中回收纤维,通过机械研磨材料或使用热解或流化床工艺将其热分解。这些方法去除了复合材料的塑料部分,留下了碳纤维,然后可以使用湿造纸技术将碳纤维转化成缠结的纤维垫,或者重新组织成定向纤维。


Meng解释说:“我们评估了在产品的整个生命周期中使用再循环碳纤维作为传统材料的替代品的成本影响,为考虑减少重量,能源强度,温室气体排放量和生命周期成本的决策者提供了一个洞见。”


新制造初生碳纤维的价格取决于其性能。用于标准土木工程的碳纤维材料价格为55美元/千克,用于航空航天应用的高端高规格碳纤维的价格为1980美元/千克。但研究人员计算出,碳纤维可以使用流化床工艺从碳纤维复合材料废物中回收,仅需5美元/千克,而且低于制造原生碳纤维所需能量的10%。


Meng承认:“通过回收过程来保持碳纤维的机械性能是开发商业化碳纤维回收工艺的关键挑战,并且在竞争性回收技术之间明显存在权衡。”


然而,流化床工艺生产的再生碳纤维几乎不会降低模量,相对于初生碳纤维,拉伸强度降低18%-50%,使其适用于要求高刚度而不是强度的应用。


Meng表示:“再循环碳纤维可能适用于需要轻量化的非结构性应用,例如汽车,建筑,风能和体育行业。


如果未来在这些行业可大量应用回收的碳纤维材料,那么在减轻重量,节约能源和成本以及减少温室气体排放方面可能会带来显着益处。



在包括汽车在内的其他行业,近几年对碳纤维需求量增长非常迅速,预计2020年将增长至每年14万吨。碳纤维在机动车行业使用寿命为15年,在航空领域是20到25年,并且目前的飞机机身碳纤维占比为40%,所以在未来10年到20年,市场上会有大量的碳纤维材料需要去回收,中国2017年4月份出台了《循环发展引领行动》,10月份推出《产业关键共性技术发展指南》,里面都提到碳纤维复合材料的回收再利用。


如今除了宝马I3碳纤维复合材料占比达50%,大部分燃油车依然是使用钢材或者合金车身,新能源车之前多采用全铝车身和碳纤维车身,随着动力的增强,为了削减成本也开始使用钢铁以及合金,比如特斯拉Model S采用全铝车身,现在新款Model 3换成了钢、铝混合车身,宝马I3将换成钢、铝、碳混合车身,国产新能源汽车更多是小型车,多采用低成本全铝合金框架,整体汽车行业碳纤维使用率较低,难以实现极致的轻量化,碳纤维的回收势在必行。

   

首先热固性的聚合物不能直接加热重新塑型,并且而且回收材料往往掺杂污染物,如金属以及塑料的碎屑,如果想要让目前的回收技术走出实验室,进行工业生产,就必须要解决成本问题,在2018车用材料(西青)国际论坛中来自诺丁汉大学的孟凡然教授带来了他们的实验成果。

 

目前的碳纤维回收工艺主要分为三种,机械法、化学法以及热解法,机械回收方法并不适用于汽车用碳纤维复合材料的回收,且化学法回收仍然局限于实验室阶段,距离工业化生产还有较大差距,因此目前热解法是目前唯一实现工业化生产的碳纤维复合材料回收技术。

 

实验所采用的是热解法中流化床的回收工艺,首先将废料装填进流化床,流化床经过500度以上的高温,回收的聚合物通过氧化清除之后,剩下的就是碳纤维。碳纤维再经过回收流程予以收集,剩下的废气可以进行循环,整个流程可以回收废物当中的碳纤维,有效的分离污染物和碳纤维,包括其中的杂质。并且利用废气的循环降低整个流程的耗能,实现了能量回流,拥有良好的市场前景。

不过回收的碳纤维和传统材料是不一样的,不能直接用于最终产品的制造,要用回收的碳纤维去进行中间的处理,包括纤维的分布、悬浮、热干燥等过程,最后还需要将得到的碳纤维进行排列,利用旋转,旋转箍可以对纤维的方向进行校正和统一,最后得到经过调整和排列的碳纤维材料,用来生成高强度的碳纤维复合材料。

 

从回收料分解到后面复合物生产以及机动车零部件生产,很多的变量都影响着回收的成本,包括输送废料的速度以及废料的品质,送料较快时能量消耗明显减少。

 

同时,如果从全生命周期来看,再生碳纤生产的整车燃油经济性为20%到60%不等,回收的复合物可以降低温室气体排放,在进行排列之后能够带来更高的强度,再生碳纤维的性能相较传统材料,依然有明显的优势。

来源:郝氏企业

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来源:碳纤维生产技术
复合材料化学航空航天汽车建筑新能源材料工厂试验
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首次发布时间:2024-08-23
最近编辑:2月前
碳纤维生产技术
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专业ℱ纤维材料的热力学三态

研究纺织材料在不同温度下内部结构和性质的变化规律,对其合理加工和正确使用有重要意义。纤维性质在温度转变点前后表现有明显不同,用不同的温度转变点来表征。从研究的内容看主要有热力学性质、热定形、热破坏等。热力学性质,是指在温度的变化过程中,纺织材料的力学性质随之变化的特性。绝大多数纤维材料的内部结构呈两相结构,即晶相(结晶区)和非晶相(无定形区)共存。对于晶相的结晶区,在热的作用下其热力学状态有两种:一种是熔融后的结晶态,其力学特征表现为刚性体,且具有强力高、伸长小、模量大的特性;另一种是熔融后的熔融态,其力学特征表现为黏性流动体。两者可以用熔点来区分。对于非晶相的无定形区,在热的作用下其热力学状态有脆折态、 玻璃态、高弹态和黏流态,分别按变形能力的大小采用脆折转变温度、玻璃化转变温度、黏流转变温度来划分。纤维材料的热力学三态对于线型高聚物,材料非晶相的黏流转变温度和结晶的熔点常互相重合,很难区分,所以测量纤维的热力学性质时首先表现出来的变化是非晶相的变化,其典型曲线发图1所示。图1 纤维材料的典型热力学曲线图1是在恒应力条件下纤维的变形能力(实线)和拉伸模量(虚线)随温度变化的过程,其转折点分别为玻璃化转变温度Tg, 和黏流转变温Tf, 且转变温度都有一个区段,这是非晶态高聚物所物有的力学三态特征。其中,多数合成纤维的力学三态特征比较明显,而天然纤维(棉、麻、毛、丝)及再生纤维素纤维等在某些升温速率下(高温时)不呈现比较明显和黏流态特征,而直接分解、炭化。 1、玻璃态在低温状态时,纤维内部大分子热运动的能量经较低,运动单元中有基、链节、短支链等短小单元,链段处于被“冻结”状态,运动方式主要为局部振动矣键长、键角的变化。因此,纤维的拉绅模量很高,强力高,变形能力很小,且外力除后,变形很快消失,纤维硬脆,表现出类似玻璃的力学性质,故称琉璃态(或硬玻璃态)。当温度进一步升高,运动单元尺寸增加,纤维大分子链段有了一定的回转能力,纤维表现出一定的柔曲性,坚韧性,作用力大的情况下可见塑性变形,这个状态常被称为软玻璃态(或称为强迫高弹态),绝大多数纤维在室温条件下处于此状态。当链节、链段、主链旋转及侧基均被冻结时称为脆折态。纺织纤维的玻璃化转变温度大都高于室温,所以在室温条件下,衣服能保持一定抗拉伸能力和硬挺度,如氨纶的玻璃温度在-40°C以下(聚醚型为-70°C~-50°C)在常温环境下具有优良的弹性。2、高弹态当温度继续升高超过某一温度(玻璃化转变温度Tg)后,纤维的拉伸模量突然下降,纤维受较小力的作用就发生很大变形,而且当外力解除后,变形快速恢复。在“温度-变形”或“温度-模量”曲线上出现一个平台区,这个区间的力学行为类似于橡胶的力学特征,纤维的这种力学状态就称为高弹态或称橡胶态。从分子运动机理看,在此温度下纤维内部的大分子链段已经“解冻”,链段可以绕主链轴作旋转运动,使大分子卷缩、伸直变形比较容易,且产生的变形也易于通过链段的热运动恢复原来的形态。这是高聚物特有的力学状态,高弹形变的实质是链段运动使大分子发生伸展一卷曲运动的宏观表现。3、黏流态当温度再继续上升达到某一温度(黏流转变温度Tf)后,大分子的热运动克服分子间的作用力,运动单元从链段扩展至大分子链,大分子这间可以出现相对滑移,变形能力显著增大且不可逆。纺织纤维呈现出一种具有黏滞性、可流动的液体状态,纤维的这种力学状态就称为黏流态。当大分子的聚合度极高,分子间用用力极大,大分子间的缠结严重时,分子间的相对滑移极困难,不会出现黏流态。上述从分子运动学观点描述了热力学三态,从相态角度看,玻璃态、高弹态和黏流态均属非结晶相,即大分子间的排列状态呈无规(无序、非晶)状态。特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络,发布的目的在于传递更多信息及分享,并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。版权归原作者所有,任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议,请第一时间联系我们,我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展,本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台,对广告内容的真实性或有效性不做评价,请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关,特此声明。 来源:碳纤维生产技术

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