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【看无人机夜空秀】复合材料是如何实现回收与利用的?

2020-09-04 17:10:26来源:塑料机械网原创 作者:四夕阅读量:38083

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  【塑料机械网 编辑视角】9月1日晚,山东省莱西市人民广场上300架无人机上演了一场无人机夜空秀。以天为幕,以城为景,光影变化间勾勒出了“最美莱西”、“空中客机”、“美丽空乘”、“帅气机长”等一幕幕璀璨画卷。
 
  随着无人机的轻量化需求发展,其机体使用的材料也在不断更新换代。复合材料使结构轻量化,从而进一步减少燃油消耗和废气排放,在继铝合金、钛合金等轻质化金属材料之后,日益发展为无人机制造业的“新宠”。甚至可以说,以碳纤维复合材料为核心的无人机结构设计、制造技术已经成为无人机发展的关键性技术。
 
  其实,不只是无人机,还有风力涡轮机叶片、高尔夫球杆等众多我们熟知的产品,纤维增强聚合物(FRP)复合材料重量同样占比很大。在意大利研发中心CETMA的技术领导下,空客A320将热塑性复合材料用于焊接龙骨梁;阿科玛公司的高性能Kepstan 7000 PEKK热塑性碳纤维复合材料和9T Labs公司推出的Red系列增材制造解决方案相结合,生产了一款直升机舱门铰链零件;中国原创设计旅行品牌途加(TUPLUS)推出的“核”系列碳纤维旅行箱,采用科思创的碳纤维复合材料作为旅行箱的前后门板……
 
  作为高性能类别的结构材料,碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料尤其受欢迎,因具有质轻、耐疲劳、耐腐蚀、出色的强度和模量等特点,被广泛应用于各领域。而高应用率带来的是高废弃率,严重的环境污染和资源浪费回收利用状况令人担忧。
 
  今年7月份,布里斯托大学可持续发展峰会上发起了一项名为“可持续复合材料”的新倡议,由国家复合材料中心(NCC)和工艺创新中心(CPI)牵头,旨在通过应对复合材料回收的挑战来开发下一代可持续复合材料。该计划指出,英国每年生产的11万吨复合材料中,目前只有不到15%在其使用寿命结束时被回收再利用,这意味着英国超过85%的复合材料在其使用寿命结束后直接报废。此外,他还指出,尽管复合材料可以延长其应用产品的使用寿命,但回收过程却很困难,当前的回收技术通常会降低材料的性能,降低其价值并限制了其应用范围。
 
  据笔者了解,并非没有人尝试过对复合材料进行回收。事实上,恰恰相反。几十年来,工程界一直致力于物理方法回收FRP复合材料,但结果不尽如人意。当前,现有的回收FRP复合材料的方法主要是将FRP切碎后作为添加剂使用,或者对聚合物基体进行热解或溶剂溶解使聚合物基体与纤维分离,从而达到回收纤维的目的,但这些过程不可避免地会破坏聚合物基体并损伤纤维,降低纤维的长度、强度和刚度,回收价值低。
 
  “日拱一卒无有尽”,中国象棋里的“卒”,一次只能走一步,但每天只要前进一点点,终会有所成就。
 
  近日,事情发展似乎迎来了转机。来自美国南加州大学洛克碳氢化学研究所和M.C.Gill复合材料中心的Travis J.Williams教授团队从物理回收方法、高压分解、大气压分解及本征可回收的热固性基体等方面重点概述了FRP的回收方法,并针对热固性基体中特定化学键的设计发展新的化学方法,以此应用到FRP的回收问题,最后对复合材料的回收方法进行了展望。
 
  物理回收方法:主要依靠机械设备,通过机械力将复合材料碾碎、压碎或切碎,获得尺寸不一的块体颗粒、短纤等物质。而回收的复合材料废料颗粒,可以作为结构填料填充到新的复合材料或水泥中。但与昂贵的碳纤维成本相比,将CFRP作为添加剂使用所获得的价值很小。
 
  高压分解:依赖于溶剂体系,使用酸或碱试剂加速其溶解。根据副产物分析,这些条件似乎以交联的C-N键和仲醇为目标,对二氨基二苯甲酮的观察表明存在氧化剂如氧气,会进行C-H氧化。
 
  大气压分解:纤维受损更少,甚至可以保留纤维的原始有序结构。没有超临界温度和压力的作用,必须选择一定化学试剂裂解交联键,将FRP回收从工程问题转变为化学问题。需要基础反应化学方面的专业知识,而复合材料回收领域以前从未将其作为重点。
 
  本征可回收的热固性基体:开发本征可循环回收的热固性基体是实现复合材料循环利用的有效方法。通过引入可降解的化学键(如酯键),热固性基基体在外界刺激(如温度、化学物质、光解作用)时可以循环回收利用。
 
  推进复合材料可持续发展,降低使用成本和对环境影响,探索复合材料回收再利用技术势在必行。而显然,相较于物理回收方法,似乎只要找到仅需要相对温和条件的可扩展解决方案,就可以实现FRP复合材料而不会造成其它回收问题。当然,这其中高额的运行成本和相对较慢的速率问题同样亟待解决。不过,不管如何,化学解决方案为之提供了新的思路。
 
  部分内容参考:中国航空报、皇家化学学会(ROYAL SOCIETY OF CHEMISTERY)

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