201906101804碳纖維強化塑料回收市場不斷擴大

    隨著碳纖維增強塑料市場的不斷增長,生產廢料也在不斷增長(初級碳纖維產品高達30%,具體取決於工藝)。此外,廢棄部件中的更多材料應該回收利用。

  到目前為止,回收過程只限制了碳纖維的潛在性能,因為所用的纖維明顯縮短,並且不會朝向負載方向。一個創新的工藝鏈,用於制造具有可回收長(大部分大於80毫米)碳纖維(LRCF)的結構應用組件,從而更好地利用纖維特性。涵蓋所有工藝步驟的研發的總體目標是通過高度定向的LRCF優化原材料的利用,並減少單個工藝步驟中的纖維縮短。

  文章中列出的結果來自於Deguoaofenbahe的本田歐洲研發公司發起的一個合作研究項目。該項目的成員包括位於英格蘭科西嘉的elg碳纖維公司、位於德國凱薩西勞滕的德國紡織素研究所(ditf)、位於德國史蒂文多夫的綜合研究所(ivw)和本田歐洲研究與發展公司。

  ELG碳纖維處於工藝鏈的起點,通過熱解回收碳纖維並將熱解的碳纖維片加工成連續的纖維切口。在德國紡織纖維研究所,拉伸纖維條以增加纖維取向度,並且還檢查纖維條和碳纖維的質量。複合材料研究所采用新開發的工藝,用粘合劑固定拉伸的纖維條,通過特殊改進的膠帶鋪設工藝將其鋪設,然後生產測試纖維片並測試其材料性能。本田歐洲研發公司協調並贊助了該項目。

  熱解碳纖維

  碳纖維通常可以從兩種廢料中獲得:

  除其他外,將預制件切割成其大小和形狀所產生的幹廢物。根據不同原始碳纖維的應用,它們含有不同的添加劑(凝膠、粘合劑)。輔助材料在非織布、纖維膠帶和成紗等紡織工藝中對回收碳纖維的加工起著至關重要的作用。

  ◆有缺陷或報廢部件造成的浪費。通過熱解從基質中回收碳纖維已經實現了工業規模應用。在基質熱解後,可以在沒有添加劑的情況下獲得原始質量的碳纖維,並且長度是有限的。

  這兩種廢物都有各自的優點和缺點。對於幹廢棄物,添加劑可能會影響紡織過程。然而,添加劑也可以保護和結合纖維。由於熱分解得到的纖維缺乏這種保護,紡織加工可以大大縮短纖維的長度。為了保證本項目使用的碳纖維質量穩定,不考慮廢料或添加劑,對輕集料進行了熱解處理。LRCF的本質創新是將100%的LRCF加工成高取向的纖維帶,這是一種纖維縱向取向的幾乎無窮無盡的拉伸纖維複合材料。類似的工藝通常將纖維轉化為無紡布或含有支撐纖維的混合物,從而穩定和簡化工藝。

  LrCF加工

  通過熱解得到的lrcf經過梳理、分離、定向,然後綁成纖維條。為了使纖維取向最大化,它的速度必須比正常的生產速度如非織造織物的生產速度要慢。

  從纖維板到固定的LrCF纖維帶,整個工藝鏈中最大的纖維縮短發生在纖維分解和纖維帶形成期間。碳纖維長度從進料的平均120毫米縮短到纖維條的平均60毫米。為了進一步定向碳纖維,纖維束在牽伸系統中加工以最大化纖維分離。未分解的纖維包可影響拉伸,從而影響纖維條的質量。

  除了纖維的長度和纖維的分離程度外,纖維的粘合性是一個關鍵參數,它受纖維與纖維之間的摩擦、纖維的取向和纖維的壓縮性的影響。

  一般來說,在拉伸系統中可以拉伸和定向具有大纖維分離和高纖維鍵合的纖維條(圖2)。然而,為了獲得最大的纖維取向,拉高、纖維帶粘接和分離必須相互協調。該項目開發的繪圖過程允許lrcf最大限度地定向,並具有足夠的纖維結合。高度定向的纖維帶如圖2(中間)所示。

  為了確定纖維取向度,通過德國紡織纖維研究所的偏振相機分析纖維帶,並測量成像片段的取向度。梳理卡和拉伸纖維條的取向分布的比較表明碳纖維的取向度增加。

  從纖維條到用於鋪設的半成品

  自動鋪設過程提供了將具有不同方向和位置的纖維材料放置在高度自動化和精確的過程中的可能性。因此,使用合適的半成品是非常必要的。由於這種鍵合是純粹的摩擦,因此所生產的纖維條沒有足夠的鍵合使其能夠在鋪設過程中加工。因此,它被封裝在膠網中,然後是熱激活和固結。所產生的半成品強度較強,可通過其附著力自動運輸。此外,確保單獨放置的纖維帶之間有足夠附著力的粘合劑材料包括在半成品中。

  為此項目開發的系統可用於放卷,包裝,預固結,加熱,固結和卷繞。作為可伸縮裝置,塑料卷軸也安裝在系統上。為確保在盡可能小的壓力下加工材料,卷軸調整驅動器配備了使用光柵信號的傾角控制器。

  專利粘合劑絲網包裝是最重要的獨特功能之一,因為這個過程決定了半成品的質量。纖維帶通過移動的粘性金屬絲網輸送,然後通過杆成型裝置包裹和折疊。

  包裝纖維帶仍然沒有足夠的內部穩定性。首先需要用兩個可調節應力的驅動滾子預固。兩個不間斷的風扇用來熔化粘合劑材料。熱風機的溫度可獨立調節,進行相加熱。然後用另一對驅動輥將粘接材料膠結。

  在最後的過程中,將其卷到H?fner卷軸上,以便在自動帶鋪設過程中進行後續操作。粘合劑篩網應用為材料提供自動運輸所需的拉伸強度。熱氣炬在膠帶鋪設過程中加熱粘合劑以熔化並在各層之間形成粘合。機器人鋪設的預制件如圖7所示。

  用聚合物基質進行浸漬

  鋪面預制構件具有良好的粘結性,運輸方便,可送入後續工序。聚合物基體的浸漬是在複合材料的液態成型過程中進行的。在此之前,對樹脂轉移注射成型(RTM)和真空輔助樹脂注射(VARI)兩種工藝進行了試驗。

  加工鏈的最重要特征(除了不同的注入應力)是腔體高度。在樹脂轉移成型的過程中,上、下模具決定了所生產的部件的厚度,最後形成光滑的表面。

  如果預制件由於材料堆積而部分地不均勻,則密封的緊密度通常受到限制並且預制件的平均纖維體積含量減少。真空毯在真空輔助樹脂灌注過程中提供固結壓力。

  如果預制件局部不均勻,也會轉移到成品件上,以獲得不同厚度的均勻纖維體積含量。

  為了生產具有平面平行表面的樣品,選擇了樹脂轉移注射工藝。由於個別本地物料的累積進一步影響壓實,纖維的總體積含量下降至34%。各層厚度的潛在變化

  對比新纖維

  與原始纖維的機械性能相比,許多因素可能導致機械性能下降:

  回收過程中除去施膠劑,纖維與基體結合強度差。

  隨後的加工過程會導致纖維損壞。

  纖維的長度比以前使用的無端纖維短。

  ◆波紋導致纖維取向不完整。

因此在這方面,這個行業整體的狀態就是任重而道遠,所以將這個行業歸屬於朝陽產業也並不為過,做得好,是對社會的貢獻,同時企業本身也會具有一定的獲益。當然除此之外,像塑料回收等相關的行業也是需要受到關注的

  如拉伸試驗結果所示(圖9,試驗參數:試樣類型2,纖維方向拉伸,試驗速度2mm / min),以及使用單向取向的環形新纖維的理想值比率約為31 %強度和約68%剛度。為了更好的可比性,將數據標准化為50%纖維體積含量(FVC)。

  在早期研究的幫助下,可以得出結論,性能明顯低於原有性能的原因是纖維取向仍然不足。另一個重要因素是熱解纖維沒有膠水,這可能會影響纖維與基質之間的鍵結。纖維長度對得到的力學性能的影響較小,因為拉伸後纖維長度不會減小。

  圖9根據ISO 527-4的拉伸試驗結果:新纖維的理論拉伸性能與商業墊料隨機鋪設的比較(?Honda,IVW)

  下一步是將鋼絲網與拉拔相結合,進一步改善纖維的取向。目前,當拉伸後的纖維被輸送到粘結體系中時,碳纖維的取向降低。然而,性能仍然可以得到顯著的改善,特別是與橫觀各向同性隨機鋪設的墊層相比。

  結語和展望

  所開展的工作表明,在考慮到整個流程鏈的情況下,開發新的流程和材料至關重要。匹配工藝參數可以防止纖維的縮短或纖維條的低鍵合。已定義的關系為整個流程鏈帶來了進展,並可用於後續項目。高度定向100%lrcf纖維棒已經被制造和加工,具有明顯優於商業材料使用再生纖維(例如,rcf隨機鋪設墊)的機械性能。

  在隨後的過程中,纖維束的取向度和均勻度將進一步提高,以充分利用回收碳纖維的潛力。同時,將努力將其升級為工業應用。

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