Når kulfiber bliver almindeligt, hvordan vil det blive genanvendt?

Carbonfiber er et let og holdbart materiale, der er blevet almindeligt inden for bilindustrien, vindenergi, rumfart og robotteknologi. Dette avancerede kompositmateriale giver styrke og kan formes til næsten enhver anvendelse. Som følge heraf er det blevet en meget populær mulighed. Bemærkelsesværdigt er det netop denne popularitet, der har skabt nogle problemer med, hvordan man håndterer kulfiberaffald fra produkter, når de er kasseret. Her er alt, du behøver at vide.

Carbonfiberforstærkede polymerer (CFRP’er)

Kulfibere kan lægges ud i forskellige mønstre og belægges med matrixharpikser for at skabe carbonfiberforstærkede polymerer. Dette materiale har et fremragende styrke‑til‑vægt‑forhold, som har gjort det til en kernekomponent i nutidens mest avancerede udstyr, fremstilling og energiproduktionsprocesser.

Bortskaffelse af kulfiber

Når et produkt, der indeholder kulfiber, bliver affald, skal dette langtidsholdbare og stadig værdifulde materiale udvindes. Den komplekse struktur af kulfiberstykker og manglende mulighed for at omforme hærdet epoxy gør affaldshåndtering til en alvorlig udfordring. Derfor er der i de sidste par år opstået flere nye genanvendelsesmetoder.

Traditionelle genanvendelsesmetoder

Desværre fungerer mange af de mest populære traditionelle genanvendelsesmetoder enten ikke, eller de kræver en enorm mængde energi at gennemføre, hvilket eliminerer enhver omkostningsfordel. Brug af kemikalier til at løsne epoxy og fjerne fibrene er ineffektivt. Derudover resulterer det i meget miljøaffald i form af farlige kemikalier.
Andre metoder kræver, at kulfiberpolymeren udsættes for ekstrem varme for at skabe adskillelser. Denne metode er energikrævende og farlig. Desuden reducerer begge metoder trækstyrken i de genvundne kulfibertråde med op til 85 %, hvilket gør materialet ubrugeligt for de fleste anvendelser.

Elektrohydraulisk fragmentering

I øjeblikket er den mest avancerede metode til at genvinde kulfibertråde fra polymerer ved hjælp af elektro‑hydraulisk fragmentering. Denne tilgang sender højspændingsudladninger gennem en vandtank. Kulfiberen befinder sig i tanken, mens højspændingspulserne skaber plasma. Plasmabølgerne opererer i mikrosekund‑pulser, der adskiller materialerne via chokbølger.
Denne tilgang er langt mere effektiv og virkningsfuld end andre metoder, der er afhængige af varme og kemikalier. Derudover bruger den kun omkring en tredjedel af energien i traditionelle genanvendelsesmetoder og kan effektivt fjerne lim og harpiks. Metoden har dog nogle ulemper, såsom nedsat trækstyrke i kulfibrene.

Bedre muligheder er nødvendige

Selvom den elektrohydrauliske fragmenteringsmetode er et stort skridt fremad i forhold til kemiske processer, har den stadig mangler. En bedre løsning ville bevare fibrenes styrke, så de kan genbruges flere gange uden at deres holdbarhed reduceres. Ideelt set ville den fjerne al harpiks‑ og limrester fra trådene. Heldigvis har et innovativt forskerteam fra Waseda University introduceret en ny proces, der kan revolutionere genanvendelse af kulfiber, så dette materiale kan anvendes i flere anvendelser uden miljømæssige risici.

Studie om direkte udladnings‑elektriske pulser til genanvendelse af kulfiber

Ingeniører fra Waseda University introducerede en mere effektiv og omkostningseffektiv genanvendelsesmetode for kulfiberpolymerer. Tilgangen, kaldet Direct Discharge, blev detaljeret beskrevet i en artikel offentliggjort i Scientific Journal. I artiklen¹ præsenterede teamet deres nye tilgang til genanvendelse af kulfiber og testede den mod den elektrohydrauliske fragmenteringsmetode.

Direkte udladnings‑elektriske pulser

Den direkte udladnings‑elektriske pulsmethode eliminerer behovet for at påføre strøm til en vandtank. I stedet udnytter den Joule‑opvarmning og dampudvidelse til at adskille materialet fra indersiden og ud. Metoden producerer plasma langs materialets kanter. Den termiske belastning skaber udvidelseskraft, som adskiller fibrene fra epoxy.

Test af direkte udladnings‑elektriske pulser til genanvendelse af kulfiber

For at påvise deres nye metodes effektivitet blev der udført flere tests. Testene sammenlignede begge metoder til genanvendelse af kulfiber i detaljer. Specifikt overvågede ingeniørerne nøgleparametre, herunder kulfibertrådens længde, trækstyrke, mængden af harpiksrester, der ikke blev fjernet, og den samlede nedbrydning. Derudover sammenlignede teamet energibehovet for at opnå en fuld forståelse af hver metode’s kapaciteter.

CFRP‑laminater

Forskeren startede deres testfase ved at fremstille CFRP‑laminater. Laminaterne var designet til at repræsentere almindelige flydele, hvilket gjorde dem til en ideel måde at kontrollere effektiviteten i et realistisk scenarie. Laminaterne var kun 8 mm tykke og benyttede et almindeligt kulfiber‑plain‑weave‑lag. Materialet bestod af lag, der var arrangeret med skiftende orienteringer på 45‑gradsvinkler. Denne opbygning er almindelig, fordi den giver fremragende modstandsdygtighed og holdbarhed.

Direkte udladningsmetode

For at teste den direkte udladningsmetode lavede teamet to CF‑prøver, som var henholdsvis 100 mm og 30 mm lange. Ingeniørerne isolerede prøven med gummibelagte klemmer for at sikre, at strømmen forblev stabil. Derefter blev hele opsætningen placeret i postevand, og pulser blev påført direkte på prøven.
Specifikt testede ingeniørerne processen med en opladningsspænding på 10 kV og en kapacitans på 80 µF. Disse data blev indsamlet ved hjælp af et array af sensorer og et højhastighedsvideokamera. Ingeniørerne anvendte derefter røntgentomografi og simuleringer af elektrisk felt for at spore, hvilke rester der var tilbage.

Elektrohydraulisk fragmenteringsmetode

For at teste den elektrohydrauliske metode lavede teamet 20 mm kvadratiske prøver. De mindre prøver gjorde det muligt for ingeniørerne at anvende mindre testbeholdere, så de bedre kunne spore eventuelle ændringer. Prøverne blev placeret i vand, og elektrisk strøm blev påført vandet i stedet for kulfiberpolymeren direkte, som i den direkte udladningsmetode.

Måling af fibre

Efter eksperimenterne samlede forskerne 100 kulfibertråde fra hver test. Et HiROX RX‑100 optisk mikroskop blev brugt til at sammenligne deres længder. Derefter blev trådene scannet for strukturel integritet med et TM4000 Plus scanning‑elektronmikroskop. Derudover vejede teamet trådene ved forskellige temperaturer for at spore nedbrydning, og trækstyrketests på enkeltfibre blev udført med en SHIMADZU EZ‑SX.

Resultater af genanvendelsestest for kulfiber

Resultaterne af undersøgelsen viste, at Direct Discharge er mere effektiv til CF‑genvinding sammenlignet med den elektrohydrauliske fragmenteringsmetode. Forskerne fastslog, at deres nye tilgang kunne genvinde længere fibre med højere styrke. Derudover var den succesfuld i fuldt at adskille længere tråde og fjerne rester. Imponerende fandt teamet, at denne genvindingsmetode bevarede 81 % af trækstyrken.

Direkte udladning er mere effektiv.

Det blev konstateret, at den direkte udladningsmetode var mere effektiv på alle fronter. Når elektriske pulser blev påført, sporede teamet umiddelbare ændringer fra den første puls. Disse effekter indtraf hurtigt, fordi dele af harpiksen nedbrød og blev til plasma, hvilket skabte en intern chokbølge, der adskilte trådene.

Elektrohydraulisk fragmenteringsmetode

Interessant nok opdagede forskerne, at den elektrohydrauliske fragmenteringsmetode krævede mindst 100 ladninger, før den viste nogen effekt på materialet. Derfor er omkostningerne ved at drive elektrohydrauliske fragmenterings‑genanvendelsesprocesser meget højere end Direct Discharge‑mulighederne. Derudover var der mere harpiks tilbage på CF‑trådene sammenlignet med Direct Discharge‑processen.

Fordele

Denne forskning giver mange fordele. For det første åbner den døren for flere anvendelser af kulfiber og polymerer. Disse letvægtsmaterialer vil blive mere udbredte i dine køretøjer, efterhånden som mere effektive fremstillingsmetoder opstår. Derfor er det vigtigt at genvinde dette værdifulde materiale effektivt.

Effektiv

Der er flere grunde til, at den direkte udladnings‑genanvendelsesmetode er mere effektiv end elektrohydrauliske fragmenteringsmuligheder. For det første kan Joule‑opvarmning genereres på mikrosekunder, hvilket giver næsten øjeblikkelig adskillelse. Teamet opdagede, at Direct Discharge‑metoden forbedrede energieffektiviteten med mindst 10‑fold.

Virkningsfuld

En anden stor fordel ved denne forskning er, at den er mere virkningsfuld. Evnen til præcist at adskille kulfibertråde fra rester er en game‑changer. Metoden reducerer fragmentering, samtidig med at den bevarer over 80 % af trækstyrken.

Miljøvenlig

Med hensyn til miljøpåvirkning reducerer den direkte udladningsmetode alle risiciene. Den kræver hverken skadelige kemikalier eller meget varme. Derfor er der minimale lager‑ og anvendelseskrav, så metoden kan implementeres i flere regioner.

Forskere

Forskningen i genanvendelse af kulfiber blev udført på Waseda University. Professor Chiharu Tokoro fra afdelingen for Creative Science and Engineering ledede undersøgelsen. Keita Sato, Manabu Inutsuka og Taketoshi Koita bidrog også til forskningen. Nu vil teamet udvide deres indsats for at undersøge, hvordan Direct Discharge‑metoden kan forbedres yderligere.

Virksomheder, der kan drage fordel af genanvendelse af kulfiber

Flere virksomheder har de produkter og den positionering, der kan drage fordel af forskningen i denne undersøgelse. Kulfiber kan erstatte mange forskellige materialer, og efterhånden som prisen falder og produktionskapaciteten øges, vil der uden tvivl være nogle klare vindere. Her er en virksomhed, der er korrekt positioneret til at høste fordelene ved denne undersøgelse.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) er en førende leverandør af vedvarende teknologi og infrastruktur. Virksomheden har hovedkontor i New Jersey, hvor den leverer vind-, sol‑ og termiske energiløsninger til en global kundebase. Bemærkelsesværdigt er, at Clearway er en af de mest anerkendte leverandører inden for vedvarende energi. Den driver i øjeblikket over 350 rene energiprodukter i hele USA.

Investorer finder Clearway attraktiv på grund af virksomhedens stabilitet samt dens dedikation til gennemsigtighed og innovation. Hvis Clearway Energy Inc. integrerer genanvendt kulfiber i sine produkter, kan den opnå betydelige besparelser. Disse besparelser kan videregives til forbrugerne, hvilket fremmer vedvarende energiadoption og øger Clearway Energy’s afkast.

Genanvendelse af kulfiber er nøglen til mange industrier

Når man ser på resultaterne af studiet om genanvendelse af kulfiber, er det let at forstå, at den nye metode vil åbne døren for billigere og mere tilgængelig kulfiber. I fremtiden kan dele på din bil, som tidligere vejede flere pund, blive så lette som få gram, mens de bevarer deres styrke. Alle disse faktorer og meget mere er mulige takket være de innovative forskere, der arbejder for mere effektive genanvendelsesmetoder for kulfiber.

Lær mere om flere bæredygtighedsprojekter nu.

Studierreference:

^{1. Tokoro, C., Sato, K., Inutsuka, M. et al. Effektiv genvinding af kulfibre fra carbonfiberforstærkede polymerer ved hjælp af direkte udladnings‑elektriske pulser. Sci Rep 14, 29762 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}