Tecnologia de reciclagem de compostos de fibra de carbono: liderando uma nova era de reciclagem de materiais
Nov 05, 2024
Os compósitos de fibra de carbono (CFRP) têm sido amplamente utilizados nas indústrias aeroespacial, automotiva e de energia eólica devido às suas excelentes propriedades, como resistência à corrosão, resistência à fadiga, alta resistência específica e módulo específico, além de boa capacidade de design. No entanto, uma grande quantidade de resíduos de materiais compósitos de fibra de carbono termoendurecíveis não só ocupa terras industriais, mas também polui o meio ambiente, de modo que sua tecnologia de reciclagem se tornou um ponto importante de pesquisa no país e no exterior.
1.Tecnologia de reciclagem de materiais compósitos de fibra de carbono
Os compósitos de fibra de carbono (CFRP) têm sido amplamente utilizados nas indústrias aeroespacial, automotiva e de energia eólica devido às suas excelentes propriedades, como resistência à corrosão, resistência à fadiga, alta resistência específica e módulo específico, além de boa capacidade de design. No entanto, uma grande quantidade de resíduos de materiais compósitos de fibra de carbono termoendurecíveis não só ocupa terras industriais, mas também polui o meio ambiente, de modo que sua tecnologia de reciclagem se tornou um ponto importante de pesquisa no país e no exterior.
A tecnologia de recuperação do CFRP é dividida principalmente em recuperação mecânica, recuperação por pirólise, recuperação química e alguns outros tipos de métodos de recuperação. O desenvolvimento e as vantagens e desvantagens da tecnologia de reciclagem de CFRP são mostrados na Figura 1.
2.CF Nova política de recuperação
Além dos resíduos de CFRP, outro tipo comum de resíduo são as fibras secas produzidas na fase de fabricação. Esses resíduos de fibras provêm principalmente de sobras, pontas de bobinas e bordas de distribuição parcial. Estima-se que as fibras secas representem cerca de 40% do total de resíduos de FC. Como ainda não estão incorporadas em nenhuma matriz polimérica, as fibras secas apresentam as mesmas propriedades do vCF. Dada a produção desta grande quantidade de resíduos valiosos, os investigadores estão a trabalhar ativamente para desenvolver novas estratégias de reciclagem, incluindo, mas não se limitando a, transformar FC em fios, fabricar tecidos não-tecidos e utilizar uma mistura de FC reciclado e FC nativo para produzir não-tecidos. -tecidos pré-impregnados.
1) Fio misto baseado em rCF
Sob condições específicas da estrutura, o material foi aquecido a 280 graus C e mantido por 30 minutos para preparar com sucesso o material compósito necessário. Estudos demonstraram que a etapa de mistura com ar no processo de mistura melhora efetivamente a uniformidade da fita e do fio. No entanto, este processo de mistura também causa danos mais significativos à fibra de carbono (CF), uma vez que o comprimento total da CF no fio é reduzido. Uma análise aprofundada das propriedades mecânicas do fio revelou que os fios sem mistura de ar apresentaram maior tenacidade, principalmente devido à redução do número de fibras quebradas e à preservação do comprimento total da fibra durante a preparação. Outras pesquisas mostram que o comprimento inicial da fibra tem um efeito adverso nas propriedades do fio, pois está diretamente relacionado ao comprimento final da fibra após o processamento na estrutura do fio. Especificamente, os fios preparados com CF de 80 mm apresentam o comprimento médio de fibra mais longo, conferindo-lhes tenacidade superior. Da mesma forma, o compósito unidirecional (UD) feito de 80 mm CF e PA6 possui resistência à tração de até 800 mpa, que é o melhor desempenho na classe de fios preparados.
Hengstermann et al. investigou profundamente os efeitos do comprimento inicial da fibra e da proporção de mistura nas propriedades e características do fio após a cardação. Ajustando os parâmetros da cardadora, incluindo a distância entre os rolos de cardação e o tamanho da agulha, eles misturaram manualmente fibras CF e PA6 em dois comprimentos de 40 mm e 60 mm de acordo com a proporção de volume de 30%, 50% e 70 %. Após a cardação, a malha de fibra CF/PA6 é então submetida a um processo como combinação e fiação com uma turbina voadora para finalmente produzir um fio misto. No processo de processamento, também é necessário ajustar com precisão os parâmetros de estiragem e fiação, como taxa de alimentação, taxa de estiragem, material do rolo e número de torção, para reduzir possíveis danos ao CF. Os resultados mostram que tanto o comprimento inicial da fibra como o teor de CF têm efeitos significativos nas características finais da rede de cardagem, da fita e do fio. Os fios confeccionados com CF mais longo apresentam melhor alinhamento, menor pilosidade, maior tenacidade e menor alongamento do que os fios confeccionados com CF 40 mm.
Isto se deve principalmente ao fato de que fibras mais longas são mais facilmente alinhadas durante a cardação e o grau de danos e perdas é menor. Além disso, a presença de CF mais longo no fio e o aumento do volume do PA6 promovem a coesão entre as fibras e melhoram a qualidade da fiação da fita. Verifica-se também que a orientação do CF no fio, o comprimento do CF e a torção do fio têm efeitos positivos na resistência à tração final do compósito UD. Em geral, o comprimento da fibra e a torção do fio apresentam uma relação inversa com a resistência global do compósito desenvolvido, principalmente devido à sua influência no teor final de CF e no comprimento do compósito, bem como na regulação da penetração do polímero durante a prensagem a quente.
Figura 2: Processo de cardação para preparação da mistura rCF/PA6
Para reduzir ainda mais danos à fibra de carbono (FC) durante a fiação, Xiao et al. relatam o desenvolvimento de uma folha termoplástica reforçada com fibra de carbono (CWT) de malha travada que pode ser aplicada diretamente ao processo Mosaic. A estratégia envolve a mistura de resíduos de CF de 60 mm de comprimento com uma fibra de poliamida (PA) com estrutura núcleo-invólucro, onde o invólucro consiste em um copolímero de poliamida 6 (PA6)-polietileno (ponto de fusão 136 graus C) e o material do núcleo é poliamida 66 (PA66). No processo de mistura, a mistura de fibras CF e PA é proporcionada com a fração volumétrica de CF de 20%, 30% e 40% e depois penteada para formar uma rede de penteação. A 110 graus C, a malha de cardação é estabilizada por processos de trefilação e calandragem, durante os quais a camada externa da fibra PA da matriz é derretida para formar uma certa estrutura adesiva na malha de fibra e, finalmente, a folha CWT é produzida. Notavelmente, o processo de alongamento (30-60%) desempenhou um papel fundamental no melhor alinhamento da fibra curta CF na folha CW-T. Sob condições de pressão de 280 graus e 5-9 MPa, a chapa desenvolvida é utilizada para conformação de painéis pelo método de conformação por compressão. O módulo de tração da chapa comprimida chega a 45,6 GPa. O aumento do teor de CF no CWT melhora a resistência à tração e o nível de módulo, e o aumento da relação de tração também ajuda a melhorar a resistência à tração da longitudinal principal.
2) Não-tecidos e pré-impregnados à base de RCF
Outra forma eficaz de reciclar resíduos de fibra de carbono é aplicá-la na produção de redes de tecido não tecido, o que mostra o grande potencial de reciclagem de resíduos de fibra de carbono em produtos de alto valor agregado. A EGL Carbon Fiber no Reino Unido industrializou e otimizou com sucesso a produção de feltro não tecido rCF com uma capacidade anual de 250 toneladas para uma ampla gama de aplicações na indústria automotiva.
3.Conclusão e perspectivas futuras
Neste artigo, os métodos de reciclagem de compósitos reforçados com fibra de carbono (CFRC) são revisados e as estratégias de tratamento de resíduos de fibra de carbono gerados durante a fabricação a seco são discutidas em profundidade. Nesta base, a tecnologia de pirólise e usinagem tem atraído muita atenção devido ao seu potencial de aplicação industrial. No entanto, a investigação actual ainda está empenhada em melhorar o desempenho das fibras recicladas, e esforça-se por ter propriedades que possam ser infinitamente próximas das da fibra de carbono original.
A investigação futura deverá centrar-se nos seguintes aspectos: Primeiro, explorar um novo método de utilização de fibra reciclada para produzir materiais compósitos; A segunda é otimizar a interação da interface entre fibra e matriz. A terceira é melhorar continuamente o processo de reciclagem. Além disso, o desenvolvimento de produtos de valor acrescentado, como não-tecidos e fios com fibras recicladas como matéria-prima, também é uma direção fundamental no futuro. Para o tratamento de resíduos secos de fibra de carbono, o desenvolvimento de fios mistos e nãotecidos apresenta boas perspectivas, mas melhorar as propriedades mecânicas dos produtos ainda é um grande desafio.
Em resumo, o campo da reciclagem de produtos à base de fibra de carbono está numa fase de rápido desenvolvimento e desempenhará um papel fundamental na promoção do estabelecimento de uma abordagem de economia circular de fibra de alta tecnologia. Portanto, mais pesquisas são necessárias no futuro para melhorar a qualidade da fibra e reduzir o impacto ambiental negativo do processo de reciclagem.
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