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碳纤维增强塑料回收市场的不断增长

作者:木森废品回收网    来源:网络    发布时间:2020-01-06 11:00:26    浏览量:

随着碳纤维增强塑料市场的不断增长,生产废料也越来越多(根据工艺不同,最多可达30%初级碳纤维产品)。此外还有更多来自报废部件的材料应得到回收。


到目前为止,回收工艺仅有限地利用了碳纤维的潜在性能,因为使用的纤维显著缩短并且未在载荷方向上定向。一种用回收长(大多>80mm)碳纤维(LrCF)制造结构应用部件的创新工艺链更好地利用了纤维性能。涵盖所有工艺步骤的整个研发的目标是通过高度定向的LrCF来优化原材料利用率,并且减少个别工艺步骤中的纤维缩短度。


文中所列的结果来自由德国奥芬巴赫的本田欧洲研发公司发起的一个合作研究项目。该项目的成员包括英格兰科西利的ELG碳纤维公司、德国登肯多夫的德国纺织纤维研究所(DITF)、德国凯撒斯劳滕的复合材料研究所(IVW)和本田欧洲研发公司(图1)。


ELG碳纤维公司处于工艺链的起点,它通过热解来回收碳纤维并将热解后呈片状的碳纤维加工成连续的纤维纵切条。在德国纺织纤维研究所里,纤维条被拉伸以提高纤维取向度,纤维条和碳纤维的质量也经过了检验。复合材料研究所通过最新研发的工艺用粘合剂固定拉伸的纤维条,再通过特别改装的铺带工艺将它们铺好,然后生产出试验用的纤维片并测试其材料性能。本田欧洲研发公司在其中进行协调并赞助了该项目。


热解碳纤维

碳纤维通常可以从两种废料中获得:


◆ 按预制件的尺寸和形状切割等情况产生的干废料。根据不同的原始碳纤维的应用,它们含有不同的添加剂(施胶剂、粘合剂)。辅助材料对纺织工艺(例如无纺布、纤维带和纱线的成型)中回收的碳纤维的加工具有至关重要的作用。


◆ 来自故障部件或报废部件的废料。通过热解从基体中回收碳纤维已实现了工业规模应用。基体热解之后即可获得原始质量的碳纤维,不含添加剂,长度有限。

碳纤维增强塑料回收市场的不断增长


图1 项目合作伙伴之间的工艺步骤划分(©本田、DITF、IVW)


两种废料都有其优点和缺点。对于干废料而言,添加剂可能会影响纺织工艺。但是,添加剂也能为纤维提供保护并粘结纤维。由于热解获得的纤维缺少这种保护,因此纺织品加工会极大地缩短纤维。为了确保项目中使用的碳纤维具有恒定的质量而不考虑废料形式或含有的添加剂,项目对热解的LrCF进行了加工。其本质创新在于将LrCF 100%加工成高度定向的纤维带,即一种纤维纵向定向的几乎无端的拉伸纤维复合材料。类似的工艺通常将纤维转化为无纺布或含有支撑纤维的混合材料,废铁回收,从而使工艺稳定并且简化。


LrCF加工

将热解获得的LrCF通过梳理机梳理、分离、定向,然后扎成纤维条。为了尽量提高纤维取向度,其速度必须比无纺布生产等正常生产速度慢。


从纤维片到固定的LrCF纤维带,整条工艺链中最大程度的纤维缩短发生在纤维分解和纤维带成型期间。碳纤维长度从进料的平均120mm缩短到纤维条的平均60mm。为了进一步定向碳纤维,将纤维条在牵伸系统中加工以求最大程度的纤维分离。未分解的纤维包可影响拉拔,从而影响纤维条质量(图2下)。

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图2 纤维带的质量:在牵伸系统中拉伸之前的纤维条(上)、高度定向的纤维条(中)和未分解的纤维包(下)(©本田、DITF)


除了纤维长度和纤维条分离度之外的一个关键参数是纤维条粘结性,它受纤维/纤维摩擦力、纤维取向度和纤维带压缩度的影响。


一般而言,纤维分离度大和纤维带粘结性高的纤维条(图2上)能够在牵伸系统中拉伸并由此定向。但是,为了获得最大的纤维取向度,拉拔高度、纤维带粘结性和分离度必须相互调和。该项目开发的拉拔工艺使LrCF能够最大程度地定向,并且具有足够的纤维带粘结性。高度定向的纤维带如图2(中)所示。

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图3 纤维取向度的测量:左边梳理后的纤维条的纤维取向度用偏振相机测量,右边为拉伸后的纤维带。90°对应纤维带纵向方向(©本田、DITF)


为了确定纤维取向度,纤维带在德国纺织纤维研究所用偏振相机进行了分析并对成像片段的取向度进行了测量。梳理机梳理后的纤维条和拉拔后的纤维条的取向分布(图3)对比表明了碳纤维取向度的增加。


从纤维条到用于铺带的半成品

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