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1、复合材料的回收利用 1 内容 1 前言2 复合材料回收技术概述3 在航空航天 汽车和风力能源产业中复合材料的回收利用4 为更好回收复合材料面临的挑战5 前景展望 2 1 前言 图1 复合材料分类 3 图2 复合材料的应用 4 图3 欧洲复合材料的比例 5 工程材料的回收利用 有利于工业生产过程的可持续性和可持续发展 回收方法 机械回收 热回收 化学回收 6 环境立法将有利于促进循环再造 但需要长期的技术发展 突破性创新有必要在以下三个方面 1 材料的开发为新的和容易回收的复合材料 2 材料的回收利用更有效率和加强的分离和提纯技术 3 生产技术 至少可以部分使用的唯一的新纤维再生纤维代替 7 2
2、 复合材料回收技术概述 2 1普通回收系统2 2热塑性树脂基复合材料的循环利用2 3热固性基体复合材料的回收2 4其他复合材料的回收 8 2 1普通回收系统 9 图4 复合材料回收流程图 10 2 2热塑性树脂基复合材料的循环利用 热塑性材料优点 韧性 抗化学腐蚀性 更短的生产周期和更好的回收性 有加热重塑的特性 能通过重熔和浇铸的方法回收利用回收热塑性增强纤维的最有效的技术就是将其机械粉碎为颗粒并掺入原来的加工技术生产线中 热塑性基体复合材料的回收利用主要是集中在热塑性材料以及高分子的回收上 主要技术难度是它们熔体的高粘度 11 热固性基体 热回收 化学回收 机械回收 2 3热固性基体复合材
3、料的回收 12 2 3 1机械回收 废料 低速切割或粉碎 50 100mm 锤式粉碎机 10mm 50um 旋流器和筛子 废料细分 粗糙的粉末 纤维组分 细腻的粉末 基质组分 分类 13 2 3 2热回收 复合材料的热回收过程涉及高温处理 复合材料的热回收过程分为3种 1 只涉及能量回收的焚化或燃烧 2 纤维和填充物燃烧的能量回收 3 纤维和燃料的高温分解 热回收方法有两种 燃烧和热分解流化床技术 14 燃烧流化床循环过程 图5 燃烧流化床技术回收过程 15 热分解流化床 图6 风力涡轮机叶片的回收 过程中 16 化学回收 化学回收是通过化学分解试剂使基体解聚或除去将纤维释解 化学回收过程可以
4、像以单体或者石化原料形式将基体解聚一样重新获得清洁的纤维和填料 这个溶解过程通常也称作溶剂分解 其依靠的溶解作用可以进一步分为 水解作用 使用水 酵解 乙二醇 以及酸分解 使用酸 化学溶解过程 solvolysis 的效率取决于有机树脂的种类 而且复合材料的预分离的种类也是至关重要的 因此 这个过程中可以用来生产那些特性已知的报废复合材料 但是却无法有效处理那些由各种不同的复合废料和机械分离物混合而成的过分消耗的报废复合材料 17 2 4其他复合材料的回收 MMC 暂时性的MMC 例如碳化硅增强的铝合金材料可以在被压铸和铸造的MMC废料后重熔 然后直接作为新的MMC再利用 永久性增强的MMC
5、通常只有铝或者其合金可以通过重新熔化来回收 而留下的加固材料只能作为垃圾被填埋 FMLs 机械分离 低温分离和涡流分离 热分层 18 3 在航空航天 汽车和风力能源产业中复合材料的回收利用 复合材料在航空工业中的回收情况使用复合材料来取代金属合金主要是航空公司出于降低经营成本 提高燃油使用效益的考虑 为了降低运营成本 使用更轻 更强的复合材料成为趋势 图7 在商业运输和通用航空飞机的复合材料的使用趋势 19 20 为回收所做的努力 波音公司 1 成立机队回收协会 AFRA 2 与许多第三方技术公司在航天级复合材料的回收利用方面合作 3 测试回收商用飞机和军用飞机的非结构构件的碳纤维 4 材料创
6、新技术 MIT 空中客车公司 高温分解提取碳纤维 处理这些废料卷的挑战是以同样的方式处理不同性质的原料 如预浸材料 一次性削减和生命结束的废料 而且还有与标准模量废料相结合的高模量航空航天材料 当前的主要挑战是为再生材料建立市场 21 3 2汽车行业的复合材料和回收状况 22 图9 2007年复合材料的应用 23 图10 OEM复合材料的使用情况 24 从报废的汽车 ELVs 中回收塑料是困难的从报废的汽车中回收复合材料比回收塑料困难的多回收复合材料部件的最大障碍是对于回收的材料又一次缺乏终端用户为了克服回收复合材料的困难 开发了新的 自增强材料 曼吉诺等人突出强调了回收利用设计实践的重要性
7、其中材料的选择和分离的设计需要仔细考虑越来越多的多功能混合组件对于尚未解决回收问题的汽车制造商来说是一个挑战 汽车行业材料回收的适当处理和兼容回收成本的资源回收的合理市场发展是汽车制造业中两个可行的解决办法 25 3 3从风力涡轮机叶片中回收复合材料 几乎所有的涡轮叶片是由玻璃纤维增强环氧复合材料组成的 其中纤维基质占60 现状 因为风涡轮制造业的关键涡轮组件 转子在很大程度上依赖于热固性复合材料 因此回收利用及新的和寿命终止的复合涡轮废料的处理正成为一个紧迫的全球问题 直到现在 对于在风力涡轮机仍没有商业运营回收新的和寿命终止的复合材料 26 当前的工业实践 制造废物和拆除风涡轮叶片有三种可
8、能的途径 垃圾掩埋 焚烧 回收最好的选择是回收 要么材料回收再利用 要么以再利用的形式进行产品回收再利用预计在不久的将来将建立一个禁止焚烧来自风能发电和交通等行业的复合材料的类似立法 27 4 为更好回收复合材料面临的挑战 对于整个材料社会问题必须在两个不同层次被解决 现有的复合材料的回收利用以及开发新的和更好的可回收的复合材料对于现有的复合材料 如何找到一个低成本 高效率的回收技术来分离和回收当前使用的复合材料是一个挑战 为了达到这个目标 工业和商业也有一些边界条件和制约 1 现有技术回收纤维和填料 和 或基质材料 2 复合废料的可用性与回收操作规模的经济 3 再生材料与现有复合材料市场的兼
9、容质量 4 关于填埋和焚烧复合材料的环保法规 5 回收技术的总成本和新的环境负担 6 回收企业的盈利能力和可持续经营 28 要克服的主要问题是 1 废旧发电机 复合材料使用者 回收站和研究人员的所有相关部门的有组织网络的全球战略 2 由政府通过对填埋场的废旧发电机罚款以及对回收者奖励来支持的回收激励机制 3 关于回收技术 合理的材料配额以及类似于EU的报废汽车指令的能量回收率的适当立法的实施 4 对复合废料能正确识别和预分离的一个持续稳定的废料供应链的物流管理与合作 5 市场识别和产品定价 6 对回收过程和回收产品的生命周期分析 7 最重要的是市场的建立 这是最大的挑战并且要求同时解决上述所有
10、问题 29 4 2工业前景 热固性复合材料的回收利用商业化的主要障碍是再生材料缺乏市场和盈利能力 机械回收技术 由于回收产品相对较低的价值 机械回收主要用于玻璃纤维增强聚合物 高温分解回收技术 对于碳和玻璃纤维增强聚合物复合材料 高温分解是最现实和最实际的回收技术 化学回收技术 与机械和高温分解技术相比 化学回收技术尚未被开发 环保和成本的问题需解决 30 4 3对知识的多学科需要和未来需求的研发 三点重要的研发工作的挑战 1 复合材料的回收及其成分 2 产品设计和工程的最终使用性能 包括可回收 3 使用的每一种材料的产品质量的最大化 31 5 展望 Fig 11 Isacarmadeouto
11、f100 recycledmaterialspossibleinthefuture 2015 2030 or2050 32 2015年现行回收再利用的金属和玻璃更是遥遥领先于聚合物和橡胶的回收即使到现在 应该可以建立汽车材料 如钢铁和非铁金属 铜 铝等 以及玻璃窗户和灯光的回收系统从回收的塑料和橡胶制成的汽车零部件 在5年时间将不会有戏剧性的变化从现在起5年 综合回收利用技术没有大的变化 任何商业再生纤维 在不久的将来将最有可能在质量要求不高和应用水平较低的非结构中使用 33 2030年及以后生产过程中会变得非常高效 制造复合材料产生的废物将会少得多立法将促进有关各方的贡献和成本的回收工作 使最先进的技术为基础的高回收成本将超过资源回收市场价值补偿复合材料的回收利用成功的后将带来直接利益 在交通运输 汽车和航空航天 和其他民间部门的越来越多地使用这种类型强 重量轻的材料 回收技术将变得更加成熟 无论是单独清洁化学回收技术的基础上最有可能从基体材料的着手 如超临界水 或回收与增援 重熔 基质一起使用补偿的综合回收利用的成本高 将通过立法 禁止填埋和焚烧废弃物复合材料和EOL产品 生产成本增加的未利用的复合成分 加固纤维和聚合物基体 不断开发新的专长和知识 并从所有有关各方的共同努力 我们可以把今天许多人的梦想在未来30 40年复合到现实世界中 34 35
