Informations sur le matériau
La fibre de carbone est une sorte de matériau fibreux à haute résistance, à haut module, doux et usinable avec d'excellentes propriétés physiques et chimiques. Polymère/plastique renforcé de fibre de carbone, CFRP a été largement utilisé dans les installations énergétiques, l'aérospatiale, l'équipement militaire, le transport ferroviaire et les articles de sport. La demande mondiale de fibre de carbone a atteint 107,000 tonnes en 2020 et continue de croître. Le "Rapport sur le marché mondial des composites en fibre de carbone 2020" de Guangzhou Saio prédit que la demande mondiale en fibre de carbone dépassera 200 000 tonnes en 2025.
Avec l'application croissante du CFRP, de plus en plus de déchets sont générés dans le processus de traitement, d'utilisation et de déchets. Par exemple, la technologie de l'énergie éolienne a été rapidement promue ces dernières années, mais la durée de vie des pales n'est que de 20-30 ans. D'ici 2030, les pales mises au rebut de l'énergie éolienne CFRP atteindront des dizaines de milliers de tonnes par an. Dans le secteur de l'aviation civile, près de 8 500 avions dans le monde seront retirés d'ici 2025, et le recyclage des déchets CFRP de leurs corps est un défi. Avec l'amélioration de la sensibilisation des gens à l'environnement, les lois et réglementations environnementales applicables à l'élimination des déchets CFRP deviennent de plus en plus strictes. Comment recycler efficacement la fibre de carbone pour le recyclage est devenu un problème brûlant à l'heure actuelle.
La résine utilisée dans le traitement du CFRP est divisée en résine thermoplastique et résine thermodurcissable. La méthode de récupération des composites à matrice de résine thermoplastique est simple, mais la viscosité de la résine thermoplastique dans le processus de fusion est élevée, l'adhérence de la résine sur la surface de la fibre est médiocre et la propriété d'interface du matériau composite est médiocre, ce qui affecte les performances. de produits. À l'heure actuelle, la matrice CFRP est une résine principalement thermodurcissable, telle qu'une résine insaturée, une résine phénolique et une résine époxy. Après durcissement, la résine thermodurcissable formera une structure réticulée en réseau tridimensionnel, ce qui peut améliorer les propriétés physiques du CFRP par rapport à la résine thermoplastique.
Technologie de récupération CFRP
Le CFRP ne peut pas être dégradé naturellement, l'incinération ou la mise en décharge est la méthode de traitement précoce, mais l'incinération des déchets de CFRP produira un grand nombre de gaz toxiques et nocifs et affectera l'environnement naturel, en même temps, les résidus de déchets d'incinération des décharges causeront également le sol pollution secondaire; Le traitement en décharge des déchets CFRP polluera le sol et occupera un grand nombre de ressources terrestres. Cet article présente principalement l'application de la méthode de récupération mécanique, de la méthode de récupération de chaleur et de la méthode de récupération de solvant dans la récupération de CFRP, et expose les défis et les perspectives de chaque méthode dans l'application pratique.
(1) Méthode de récupération mécanique. La méthode de récupération mécanique consiste à rouler et à broyer les déchets CFRP sous l'action de la force mécanique afin que la fibre de carbone soit retirée de la matrice de résine, des particules de résine et de la fibre de carbone courte peuvent être obtenues après traitement. La fibre coupée à l'échelle millimétrique peut être utilisée comme charge de construction, et la fibre coupée à l'échelle du micron peut être utilisée comme charge de mélange de plastique de moulage en feuille, de plastique de moulage en bloc ou de thermoplastique. La méthode de récupération mécanique présente les avantages d'un procédé simple et d'un faible coût d'investissement. Il ne produit pas de nouvelle pollution environnementale tout en récupérant la fibre et la résine. Cependant, la force mécanique endommage la fibre pendant le processus de séparation de la résine et de la fibre, et le taux de rétention des performances de la fibre est faible.
(2) Méthode de récupération de chaleur. Selon les différentes voies de traitement, la méthode de récupération de chaleur peut être divisée en méthode de décomposition thermique à haute température, méthode de décomposition thermique en lit fluidisé et méthode de décomposition thermique par micro-ondes. Le principe est de décomposer la résine en petits composés moléculaires sous l'action de l'énergie thermique.
① Méthode de décomposition thermique à haute température. Tout d'abord, les déchets CFRP sont fragmentés sous l'action de la force mécanique. Les fragments sont chauffés à 600 ± 200 degrés sous l'atmosphère de gaz inerte, et la résine est décomposée en huile de pyrolyse à faible poids moléculaire et en gaz de pyrolyse dans des conditions sans oxygène. Le gaz de pyrolyse est principalement composé de dioxyde de carbone, d'hydrogène et de méthane. Ensuite, injectez une quantité appropriée d'oxygène dans le système, de sorte que la combustion combustible à faible poids moléculaire, la chaleur générée par la combustion continue de fournir de l'énergie thermique au système. L'oxygène dans le système entrant nécessite un contrôle quantitatif précis. Une consommation excessive d'oxygène augmentera le risque d'explosion du système. Pendant ce temps, cela provoquera également une peroxydation de la fibre de carbone recyclée et diminuera les propriétés mécaniques de la fibre. L'apport d'oxygène est trop faible et la résine résiduelle et l'huile pyrolytique à la surface de la fibre ne peuvent pas être complètement éliminées, ce qui affecte la finition de la fibre. La température de pyrolyse à haute température dépend du type de résine. Généralement, la résine polyester peut se décomposer à une température plus basse, tandis que la résine époxy doit se décomposer à une température plus élevée. En raison de son fonctionnement simple et de sa récupération élevée, la méthode de décomposition thermique à haute température a été appliquée dans l'industrie. Après le traitement de la décomposition thermique à haute température, la surface lisse de la fibre de carbone courte peut être obtenue, mais après le traitement de la fibre, différents degrés d'oxydation se produiront et la surface de la fibre déposera occasionnellement du carbone, affectant les propriétés mécaniques. de la fibre.
② Méthode de décomposition thermique en lit fluidisé. Le processus de récupération du CFRP par décomposition thermique en lit fluidisé est illustré à la figure 1. Le matériau composite est importé des déchets et ajouté au lit fluidisé. La résine dans le matériau composite est décomposée à des températures élevées dans le champ d'écoulement d'air chaud, et le gaz de pyrolyse décomposé est poursuivi en tant qu'énergie thermique du système par combustion. Après décomposition thermique, les fibres de carbone et les particules de résine sont récupérées dans le séparateur cyclone. Le flux thermique emmène la fibre récupérée vers le réservoir de fibre, tandis que le matériau réfractaire est laissé au fond du lit fluidisé. Le CFRP traité par pyrolyse en lit fluidisé a généralement une taille de 2 à 3 cm², qui peut être alimenté en continu vers le lit fluidisé pour obtenir une production continue, et la fibre de carbone courte peut être obtenue par recyclage. Le frottement entre la paroi interne du séparateur à cyclone et le gravier lié au gaz dans le lit fluidisé et la fibre causera des dommages mécaniques, de sorte que la résistance à la traction de la fibre après ce traitement sera réduite d'environ 1/4.
③ Méthode de décomposition thermique par micro-ondes. Le CFRP a été placé dans un champ d'irradiation par micro-ondes et la résine a été chauffée par micro-ondes pour se dégrader en petits composés moléculaires. La méthode de décomposition thermique par micro-ondes peut réduire efficacement le temps nécessaire à la récupération des fibres de carbone, le nombre d'équipements est relativement faible et le fonctionnement du processus est simple.
(3) méthode de récupération du solvant. La méthode de récupération du solvant fait référence à la résine contenue dans les déchets CFRP dans le solvant se transformant en substances solubles, par la dégradation et la dissolution de la résine pour réaliser la séparation de la fibre et de la résine, la fibre de carbone après lavage et le séchage pour récupérer la fibre. Les méthodes de récupération de solvant sont généralement divisées en méthodes de solvant ordinaires sous pression normale et méthode de solvant supercritique sous haute pression.
① Méthode de solvant commune. La méthode de solvant courante utilise de l'acide nitrique et de l'alcool comme solvant de réaction de la résine de dégradation sous pression atmosphérique, qui est simple à utiliser et à faible coût d'entrée d'équipement. La fibre récupérée conserve essentiellement la longueur de fibre d'origine et peut être réutilisée comme fibre longue dans les matériaux composites. Cependant, le temps de dégradation de la résine dans le solvant est plus long et le traitement des déchets par le solvant après utilisation est difficile, ce qui augmente le coût de récupération et provoque facilement une pollution de l'environnement. Selon les différents procédés de mise en forme du matériau composite, la résine utilisée est différente, et le procédé utilisé est différent.
② Méthode de solvant supercritique. Lorsque la température et la pression d'une substance dépassent une certaine température et pression critiques, l'état spécial de compressibilité élevée, de solubilité élevée, de perméabilité élevée, de diffusivité élevée, de faible densité et de faible viscosité est appelé "état supercritique", et le solvant dans ce état est appelé "solvant supercritique". La résine de déchets CFRP a été dégradée par un solvant supercritique à haute solubilité et haute perméabilité des matériaux polymères, et l'objectif de récupération des fibres de carbone a été réalisé. En utilisant cette méthode de recyclage, la surface de la fibre est lisse, la fibre conserve sa longueur d'origine, les performances de la fibre sont élevées, le processus de recyclage ne produit pas de nouvelle pollution, une protection de l'environnement verte. Cependant, l'application de cette méthode nécessite un investissement important en équipement et des conditions de traitement difficiles, et elle est encore temporairement au stade de laboratoire et n'a pas été transformée en une méthode industrielle.
Attente
Avec les progrès de la technologie de production de fibres de carbone, la production de fibres de carbone augmente en même temps que le coût de production est progressivement réduit, son application dans divers domaines continuera d'augmenter, et la récupération et la réutilisation des CFRP sont devenues un problème important limitant l'application extensive du carbone. fibre.
