مع انتشار ألياف الكربون، كيف سيتم إعادة تدويرها؟

Carbon Fiber هي مادة خفيفة الوزن ومتينة أصبحت شائعة في صناعات السيارات وتوليد الطاقة من الرياح والفضاء والروبوتات. توفر هذه المادة المركبة المتقدمة قوة ويمكن تشكيلها لتناسب تقريبًا أي تطبيق. وبالتالي، أصبحت خيارًا شائعًا جدًا. ومن الجدير بالذكر أن هذه الشعبية هي التي تسببت في بعض المشكلات المتعلقة بكيفية التعامل مع نفايات ألياف الكربون من المنتجات بمجرد التخلص منها. إليك كل ما تحتاج إلى معرفته.

البوليمرات المدعمة بألياف الكربون (CFRPs)

يمكن ترتيب ألياف الكربون بأنماط مختلفة وتغليفها براتنجات المصفوفة لإنشاء بوليمرات مدعمة بألياف الكربون. تتمتع هذه المادة بنسبة قوة إلى وزن ممتازة ساعدت في أن تصبح مكونًا أساسيًا في أكثر المعدات تقدمًا اليوم، وعمليات التصنيع، وعمليات إنتاج الطاقة.

التخلص من ألياف الكربون

عندما يصبح المنتج الذي يحتوي على ألياف الكربون نفاية، يجب استخراج هذه المادة طويلة الأمد وما زالت ذات قيمة. إن التركيب المعقد لقطع ألياف الكربون وعدم القدرة على إعادة تشكيل الإيبوكسي بمجرد تصلبه يستمر في جعل إدارة النفايات مصدر قلق جدي. وبالتالي، ظهرت عدة طرق تدوير مبتكرة خلال السنوات القليلة الماضية.

طرق التدوير التقليدية

للأسف، العديد من أكثر طرق التدوير التقليدية شيوعًا إما لا تعمل أو تتطلب كمية هائلة من الطاقة لإكمالها، مما يلغي أي فوائد تكلفة. إن استخدام المواد الكيميائية لتليين الإيبوكسي وإزالة الألياف غير فعال. بالإضافة إلى ذلك، ينتج عن ذلك الكثير من النفايات البيئية على شكل مواد كيميائية خطرة.
طرق أخرى تتطلب وضع بوليمر ألياف الكربون تحت حرارة شديدة لإنشاء فواصل. هذه الطريقة مستهلكة للطاقة وخطيرة. بالإضافة إلى ذلك، كلا الطريقتين تقلل من قوة الشد للألياف المستعادة بنسبة تصل إلى 85٪، مما يجعل المادة غير صالحة لمعظم التطبيقات.

التفتت الكهرومائي الهيدروليكي

حاليًا، أكثر الطرق تقدمًا لاستعادة خيوط ألياف الكربون من البوليمرات هي طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي. يرسل هذا النهج تفريغات عالية الجهد عبر حمام من الماء. تجلس ألياف الكربون في هذا الحمام بينما تخلق النبضات عالية الجهد بلازما. تعمل موجات البلازما في نبضات ميكروثانية تعمل على فصل المواد عبر موجات الصدمة.
هذا النهج أكثر كفاءة وفعالية بكثير من الطرق الأخرى التي تعتمد على الحرارة والمواد الكيميائية. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم فقط حوالي ثلث طاقة الطرق التقليدية للتدوير ويمكنه إزالة اللصق والراتنج بفعالية. ومع ذلك، لديه بعض العيوب، مثل تدهور قوة الشد لألياف الكربون.

ضرورة خيارات أفضل

بينما يمثل طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي قفزة كبيرة إلى الأمام مقارنة بالعمليات الكيميائية، لا تزال تفتقر إلى بعض الجوانب. الحل الأفضل سيحافظ على قوة الألياف، مما يتيح إعادة استخدامها عدة مرات دون تقليل متانتها. من المثالي أن يزيل جميع بقايا الراتنج واللصق من الخيوط. لحسن الحظ، قدم فريق مبتكر من الباحثين في جامعة واسيدا عملية جديدة قد تحدث ثورة في تدوير ألياف الكربون، مما يسمح باستخدام هذه المادة في المزيد من التطبيقات دون مخاطر بيئية.

دراسة النبضات الكهربائية ذات التفريغ المباشر لتدوير ألياف الكربون

قدم مهندسو جامعة واسيدا طريقة تدوير أكثر كفاءة وأقل تكلفة لتدوير بوليمرات ألياف الكربون. تم شرح النهج، المسمى التفريغ المباشر، بالتفصيل في ورقة نُشرت في المجلة العلمية. في الورقة¹، قدم الفريق نهجهم الجديد لتدوير ألياف الكربون واختبروه مقابل طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي.

النبضات الكهربائية ذات التفريغ المباشر

طريقة النبضات الكهربائية ذات التفريغ المباشر تلغي الحاجة لتطبيق التيار على حمام. بدلاً من ذلك، تستفيد من تسخين جول وتوسع البخار لفصل المادة من الداخل إلى الخارج. ينتج هذا النهج بلازما على طول حواف المادة. بدوره، يخلق الإجهاد الحراري قوى توسع، تفصل الألياف عن الإيبوكسي.

المصدر – تقرير علمي

اختبار النبضات الكهربائية ذات التفريغ المباشر لتدوير ألياف الكربون

لإثبات فعالية طرقهم الجديدة، تم إجراء عدة اختبارات. قورنت الاختبارات كلا طريقتي تدوير ألياف الكربون بالتفصيل. على وجه الخصوص، راقب المهندسون مؤشرات رئيسية، بما في ذلك طول خيط ألياف الكربون، قوة الشد، كمية بقايا الراتنج غير المزالة، ومدى تدهورها العام. بالإضافة إلى ذلك، قارن الفريق متطلبات الطاقة للحصول على فهم كامل لقدرات كل طريقة.

رقائق CFRP

بدأ العلماء مرحلة الاختبار بإنشاء رقائق CFRP. صُممت الرقائق لتمثيل أجزاء طائرات شائعة، مما يجعلها طريقة مثالية للتحقق من الفعالية باستخدام سيناريو واقعي. كانت الرقائق بسماكة 8 مم فقط واستخدمت طبقة نسيج بسيط من ألياف الكربون. تضمن المادة طبقات متتالية مرتبة بزاوية 45 درجة بالتناوب. هذا الترتيب شائع لأنه يوفر مرونة ومتانة ممتازة.

طريقة التفريغ المباشر

لاختبار طريقة التفريغ المباشر، أنشأ الفريق عينتين من ألياف الكربون بطول 100 مم و30 مم. عزل المهندسون العينة باستخدام مشابك مطلية بالمطاط لضمان استقرار تدفق التيار. من هناك، وُضع الإعداد بالكامل في ماء الصنبور، وطبقت النبضات مباشرة على العينة.
على وجه الخصوص، اختبر المهندسون العملية باستخدام جهد شحن قدره 10 كيلوفولت وسعة 80 ميكروفاراد. تم التقاط هذه البيانات باستخدام مجموعة من المستشعرات وكاميرا فيديو عالية السرعة. ثم استخدم المهندسون تصوير مقطعي بالأشعة السينية ومحاكاة المجال الكهربائي لتتبع ما تبقى من بقايا.

طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي

لاختبار طريقة التفتت الكهرومائي، أنشأ الفريق عينات مربعة بحجم 20 مم. سمحت العينات الأصغر للمهندسين باستخدام أوعية اختبار أصغر، مما مكنهم من تتبع أي تغييرات بشكل أفضل. وُضعت العينات في الماء وتم تطبيق التيار الكهربائي على الماء، بدلاً من بوليمر ألياف الكربون مباشرة كما في طريقة التفريغ المباشر.

قياس الألياف

بعد التجارب، جمع الباحثون 100 خيط من ألياف الكربون من كل اختبار. استخدم microscope بصري HiROX RX-100 لمقارنة أطوالها. من ثم، فُحصت الخيوط باستخدام مجهر إلكتروني مسح TM4000 Plus للتحقق من سلامة البنية. بالإضافة إلى ذلك، وزن الفريق الخيوط عند درجات حرارة مختلفة لتتبع التدهور، وأُجريت اختبارات قوة شد خيط واحد باستخدام SHIMADZU EZ-SX.

نتائج اختبار تدوير ألياف الكربون

كشفت نتائج الدراسة أن التفريغ المباشر أكثر فعالية في استعادة ألياف الكربون مقارنة بطريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي. حدد الباحثون أن نهجهم الجديد قادر على استعادة خيوط أطول بقوة أعلى. بالإضافة إلى ذلك، نجح في فصل الخيوط الطويلة بالكامل وإزالة البقايا. بشكل مثير للإعجاب، وجد الفريق أن هذه الطريقة من الاستعادة تركت 81٪ من قوة الشد دون فقدان.

التفريغ المباشر أكثر كفاءة.

وجد أن طريقة التفريغ المباشر أكثر كفاءة في جميع الجوانب. عندما طُبقت النبضات الكهربائية، تتبع الفريق التغييرات الفورية من أول نبضة. حدثت هذه التأثيرات بسرعة لأن أجزاء من الراتنج تحللت وأصبحت بلازما، محدثة موجة صدمة داخلية فصلت الخيوط.

طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي

من المثير للاهتمام، اكتشف الباحثون أن طريقة التفتت الكهرومائي الهيدروليكي تحتاج إلى ما لا يقل عن 100 شحنة قبل أن تظهر أي تأثير على المادة. وبالتالي، تكاليف تشغيل عمليات تدوير التفتت الكهرومائي أعلى بكثير من خيارات التفريغ المباشر. بالإضافة إلى ذلك، كان هناك المزيد من الراتنج المتبقي على خيوط ألياف الكربون مقارنة بعملية التفريغ المباشر.

الفوائد

تجلب هذه الأبحاث العديد من الفوائد. أولاً، تفتح الباب لمزيد من استخدامات ألياف الكربون والبوليمرات. ستصبح هذه المواد الخفيفة الوزن أكثر شيوعًا في مركباتك مع ظهور طرق تصنيع أكثر كفاءة. وبالتالي، من الضروري استعادة هذه المادة القيمة بكفاءة.

كفء

هناك عدة أسباب تجعل نهج التفريغ المباشر أكثر كفاءة من خيارات التفتت الكهرومائي. أولاً، يمكن توليد تسخين جول في ميكروثوانٍ، مما يوفر فصلًا شبه فوري. اكتشف الفريق أن طريقة التفريغ المباشر حسّنت كفاءة الطاقة بما لا يقل عن 10 مرات.

فعّال

فائدة رئيسية أخرى لهذه الأبحاث هي أنها أكثر فعالية. القدرة على فصل خيوط الكربون بدقة من البقايا تُغيّر قواعد اللعبة. تقلل هذه الطريقة من التفتت مع الحفاظ على أكثر من 80٪ من قوة الشد.

صديق للبيئة

من حيث الأثر البيئي، يقلل نهج التفريغ المباشر جميع المخاطر. لا يتطلب مواد كيميائية ضارة أو حرارة عالية. وبالتالي، هناك متطلبات تخزين وتطبيق قليلة، مما يسمح بنشر هذه الطريقة في مناطق أكثر.

الباحثون

تم إجراء أبحاث تدوير ألياف الكربون في جامعة واسيدا. قاد الدراسة الأستاذ تشيهارو توكورو من قسم العلوم والهندسة الإبداعية. ساهم كل من كيتا ساتو، مانابو إينوتسكا، وتاكيتوشي كويتا أيضًا في البحث. الآن، سيوسع الفريق جهوده لمعرفة كيفية تحسين طريقة التفريغ المباشر أكثر.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من تدوير ألياف الكربون

لدى عدة شركات المنتجات والموضع للاستفادة من البحث الموجود في هذه الدراسة. يمكن استخدام ألياف الكربون لاستبدال العديد من المواد ومع انخفاض سعرها وزيادة قدرات التصنيع، من المؤكد أن هناك فائزين جديين. إليكم شركة واحدة في وضعية مناسبة لجني فوائد هذه الدراسة.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) هي مزود رائد لتقنيات الطاقة المتجددة والبنية التحتية. يقع مقر الشركة في نيو جيرسي حيث تقدم لعملائها العالميين حلولًا للطاقة الريحية، الشمسية، والحرارية. ومن الجدير بالذكر أن Clearway هي واحدة من أكثر مزودي الطاقة المتجددة سمعة. تدير حاليًا أكثر من 350 منتج طاقة نظيفة في جميع أنحاء الولايات المتحدة.