New breakthrough! Green recycling of carbon fiber composites (CFRP)

Wstęp

Włókno węglowe znane jest jako “król materiałów” i “czarne złoto” w przemyśle. Jest szeroko stosowane w lotnictwie, kosmonautyce, energetyce, transporcie, łopatach turbin wiatrowych, mostach budowlanych, sprzęcie wojskowym i innych dziedzinach, stanowi ważny materiał dla obrony narodowej i produkcji cywilnej.

W ostatnich latach, gdy branża włókien węglowych wkroczyła w okres szybkiego rozwoju, zastosowanie kompozytów z włókien węglowych wzrasta, a w procesie produkcji powstaje coraz więcej odpadów. Eksperci z branży wskazują, że wszystkie elementy łańcucha przemysłowego włókien węglowych generują odpady, a sam odsetek skrawków w procesie produkcji i wyrobu sięga nawet 30–50%. Ponadto CFRP jest trudny do naprawy, więc nawet część uszkodzeń zostaje wyrzucona.

Ponieważ kompozyty z włókien węglowych nie ulegają rozkładowi w warunkach naturalnych, duże ilości skrawków i odpadów mogą być tylko składowane. Według statystyk światowe zużycie włókien węglowych w 2018 roku osiągnęło 92 600 ton, z czego ilość skrawków wyniosła 30 300 ton. To nie tylko powoduje zanieczyszczenie środowiska, ale także stanowi wielką marnotrawstwo zasobów.

Technologia rozkładu i recyklingu CFRP w temperaturze otoczenia

Zespół badawczy opracował technologię, która pozwala na prosty rozkład CFRP w niskiej temperaturze. Jeśli CFRP zostanie namoczony w roztworze, włókna węglowe można w krótkim czasie oddzielić od żywicy, a surowiec żywiczny jednocześnie można poddać recyklingowi.

Ta technologia stanowi rewolucyjną nowość, umożliwiającą przywrócenie trudnego w przetwarzaniu CFRP do surowca i całkowity jego recykling. Technologia ta inspirowana jest strukturą reakcji redoks zachodzącej w ciele ludzkim.

Przyczyną wysokiej wytrzymałości CFRP jest połączenie włókien węglowych z tworzywem sztucznym. Włókna węglowe nie łamą się łatwo i są mocne, ale łatwo się giętkie. Jeśli włókna węglowe połączy się z żywicą, powstanie doskonały materiał o lekkości i wytrzymałości, który osiąga potężne połączenie włókien węglowych z tworzywem sztucznym o niesamowitej wytrzymałości; jednakże to samo stanowi również duże utrudnienie dla recyklingu.

Tworzywo termoutwardzalne używane w CFRP, po utwardzeniu, jest bardzo trudne do rozkładu i może być usuwane wyłącznie przez spalanie lub składowanie przez długi czas. Wcześniej stosowano środek merkaptoetanol, który mógł rozbić wiązania S-S w CFRP, aby umożliwić recykling, jednak ten środek był zbyt toksyczny i nie był ani bezpieczny, ani przyjazny dla środowiska.

Zespół R skierował uwagę na naturalny biomateriał, który rozpuszczany był w wodzie, a następnie dodawany do rozpuszczalnika organicznego, do którego umieszczano CFRP; żywica w CFRP rozpuszczała się w fazie ciekłej po kilku godzinach mieszania w temperaturze pokojowej.

Zasada polega na tym, że natura biostruktury wykorzystywana jest do ponownego zorganizowania wiązań S-S w CFRP i zastąpienia wiązań S-S w żywicy, a rozłożona żywica rozpuszcza się w rozpuszczalniku organicznym.

Wnioski

Ta technologia, która pozwala na rozkład silnych kompozytów CFRP i ich ponowne wykorzystanie poprzez proste dodanie biologicznych substancji do roztworu bez użycia szkodliwych środków, ma być kluczem do popularności CFRP w erze oszczędzania energii i ochrony środowiska.