Kun hiilikuitu yleistyy, miten se kierrätetään?

Carbon Fiber on kevyt ja kestävä materiaali, joka on yleistynyt auto-, tuulivoima-, avaruus- ja robotiikkateollisuudessa. Tämä edistynyt komposiittimateriaali tarjoaa vahvuutta ja voidaan muotoilla lähes mihin tahansa sovellukseen. Tästä syystä se on tullut erittäin suosituksi vaihtoehdoksi. Erityisesti juuri tämä suosio on aiheuttanut ongelmia hiilikuitujätteen käsittelyssä, kun tuotteet heitetään pois. Tässä kaikki, mitä sinun tarvitsee tietää.

Hiilikuituvahvistetut polymerit (CFRP:t)

Carbon fibers can be laid out in different patterns and coated in matrix resins to create carbon fiber-reinforced polymers. This material has an excellent strength-to-weight ratio that has helped it become a core component of today’s most advanced equipment, manufacturing, and energy creation processes.

Hiilikuidun hävittäminen

Kun hiilikuitua sisältävä tuote muuttuu roskaksi, tämä pitkäikäinen ja edelleen arvokas materiaali täytyy erottaa. Hiilikuitukappaleiden monimutkainen rakenne ja epoksin muovautumisen jälkeen tapahtuva muodonmuutoksen estyminen tekevät jätehuollosta vakavan haasteen. Tästä syystä on viime vuosina syntynyt useita uusia kierrätysmenetelmiä.

Perinteiset kierrätysmenetelmät

Valitettavasti monet suosituimmista perinteisistä kierrätysmenetelmistä eivät toimi tai vaativat valtavan määrän energiaa, mikä poistaa kaikki kustannusetuja. Epoksin löysääminen ja kuitujen poistaminen kemikaaleilla on tehotonta. Lisäksi se tuottaa paljon ympäristöjätettä vaarallisten kemikaalien muodossa.
Muut menetelmät edellyttävät hiilikuitupolymeerin altistamista äärimmäiselle lämmölle erottumisen aikaansaamiseksi. Tämä menetelmä on energiaintensiivinen ja vaarallinen. Lisäksi molemmat menetelmät vähentävät palautettujen hiilikuitulankojen vetolujuutta jopa 85 %, mikä tekee materiaalista käyttökelvottoman useimmissa sovelluksissa.

Elektrohydraulinen fragmentointi

Tällä hetkellä kehittynein tapa palauttaa hiilikuitulankoja polymeereista on elektrohydraulinen fragmentointimenetelmä. Tämä lähestymistapa lähettää korkean jännitteen purkauksia vesialtaaseen. Hiilikuitu leijuu altaassa, kun korkean jännitteen pulssit luovat plasmaa. Plasmainaaltoja syntyy mikrosekunnin pulssien aikana, jotka erottavat materiaaleja iskunaaltojen avulla.
Tämä lähestymistapa on huomattavasti tehokkaampi ja vaikuttavampi kuin muut lämpöön ja kemikaaleihin perustuvat menetelmät. Lisäksi se käyttää vain noin kolmasosan perinteisten kierrätysmenetelmien energiasta ja pystyy tehokkaasti poistamaan liiman ja hartsin. Kuitenkin sillä on joitakin puutteita, kuten hiilikuitujen vetolujuuden heikkeneminen.

Parempia vaihtoehtoja tarvitaan

Vaikka elektrohydraulinen fragmentointimenetelmä on merkittävä edistysaskel kemiallisia prosesseja vastaan, se edelleen puutteellinen. Parempi ratkaisu säilyttäisi kuitujen vahvuuden, mahdollistaen niiden uudelleenkäytön useita kertoja ilman kestävyyden heikkenemistä. Ihannetapauksessa se poistaisi kaiken hartsin ja liiman jäämän lankoista. Onneksi Wasedan yliopiston innovatiivinen tutkijaryhmä on esitellyt uuden prosessin, joka voi mullistaa hiilikuitujen kierrätyksen ja mahdollistaa materiaalin käytön laajemmissa sovelluksissa ilman ympäristöriskejä.

Suoran purkauksen sähköpulssit hiilikuitujen kierrätysstudioon

Wasedan yliopiston insinöörit esittelivät tehokkaamman ja edullisemman kierrätysmenetelmän hiilikuitupolymeerien kierrätykseen. Menetelmää, nimeltään Direct Discharge, selostettiin yksityiskohtaisesti tieteellisessä lehdessä julkaistussa artikkelissa. Artikkelissa paper¹ tiimi esitteli uuden lähestymistapansa hiilikuitujen kierrätykseen ja testasi sitä elektrohydraulista fragmentointimenetelmää vastaan.

Suoran purkauksen sähköpulssit

Suoran purkauksen sähköpulssimenetelmä poistaa tarpeen soveltaa virtaa altaaseen. Sen sijaan se hyödyntää Joulen lämmitystä ja höyryn laajenemista materiaalin erottamiseksi sisästä ulospäin. Tämä menetelmä tuottaa plasmaa materiaalin reunoilla. Lämpöstressi puolestaan aiheuttaa laajenemisvoimia, jotka erottavat kuidut epoksista.

Lähde – Tieteellinen raportti

Suoran purkauksen sähköpulssit hiilikuitujen kierrätystestissä

Uusien menetelmien tehokkuuden todistamiseksi suoritettiin useita testejä. Testit vertasivat molempia hiilikuitujen kierrätysmenetelmiä yksityiskohtaisesti. Insinöörit seurasivat erityisesti keskeisiä mittareita, kuten hiilikuitulangan pituutta, vetolujuutta, poistamattoman hartsijäämän määrää ja kokonaisrappeutumista. Lisäksi tiimi vertasi energiavaatimuksia saadakseen täydellisen käsityksen kummankin kyvyistä.

CFRP-laminaatit

Tutkijat aloittivat testausvaiheensa luomalla CFRP-laminaatteja. Laminaatit suunniteltiin edustamaan yleisiä lentokoneteosia, mikä teki niistä ihanteellisen tavan tarkistaa tehokkuus todellisessa tilanteessa. Laminaatit olivat vain 8 mm paksuja ja sisälsivät yleisen hiilikuitukankaisen tasokankakerroksen. Materiaali koostui peräkkäisistä kerroksista, jotka oli asetettu vuorotellen 45‑asteen kulmiin. Tämä rakenne on yleinen, koska se tarjoaa erinomaisen joustavuuden ja kestävyyden.

Suoran purkauksen menetelmä

Suoran purkauksen menetelmän testaamiseksi tiimi loi kaksi CF-näytettä, jotka olivat 100 mm ja 30 mm pitkiä. Insinöörit eristivät näytteen kumipäällysteisillä puristimilla varmistaakseen virran tasaisen kulun. Tämän jälkeen koko kokoonpano sijoitettiin hanaveteen, ja pulssit kohdistettiin suoraan näytteeseen.
Erityisesti insinöörit testasivat prosessia 10 kV:n latausjännitteellä ja 80 µF:n kapasitanssilla. Tiedot kerättiin anturijärjestelmän ja nopean videokameran avulla. Insinöörit käyttivät myös röntgentomografiaa ja sähkökenttäsimulaatioita jäljittääkseen jäljelle jääneen jäämän.

Elektrohydraulinen fragmentointimenetelmä

Elektrohydraulisen menetelmän testaamiseksi tiimi loi 20 mm:n neliönäytteet. Pienemmät näytteet mahdollistivat insinööreille pienempien testisäiliöiden käytön, mikä helpotti muutosten seurantaa. Näytteet asetettiin veteen, ja sähkövirta kohdistettiin veteen sen sijaan, että se kohdistettaisiin suoraan hiilikuitupolymeeriin kuten suoran purkauksen menetelmässä.

Kuitujen mittaus

Kokeiden jälkeen tutkijat keräsivät 100 hiilikuitulankaa jokaisesta testistä. Hiukkasten pituuksia verrattiin HiROX RX-100 -optisella mikroskoopilla. Tämän jälkeen langat tarkastettiin rakenteellisen eheyden osalta TM4000 Plus -skannauselektronimikroskoopilla. Lisäksi tiimi punnitsi lankoja eri lämpötiloissa rappeutumisen seuraamiseksi, ja yksittäisten kuitujen vetolujuustestit suoritettiin SHIMADZU EZ-SX -laitteella.

Hiilikuitujen kierrätystestin tulokset

Tutkimuksen tulokset osoittivat, että Direct Discharge on tehokkaampi CF:n palauttamisessa kuin elektrohydraulinen fragmentointimenetelmä. Tutkijat totesi, että uusi lähestymistapa pystyi palauttamaan pidempiä kuituja korkeammalla vahvuudella. Lisäksi se onnistui täysin erottamaan pidemmät lankat ja poistamaan jäämän. Vaikuttavaa on, että tiimi havaitsi menetelmän säilyttävän 81 % vetolujuudesta.

Suora purkaus on tehokkaampi.

Suoran purkauksen menetelmä todettiin olevan tehokkaampi kaikilla osa-alueilla. Kun sähköpulssit otettiin käyttöön, tiimi seurasi välittömiä muutoksia jo ensimmäisestä pulssista. Nämä vaikutukset tapahtuivat nopeasti, koska hartsin osat hajosivat ja muuttuivat plasmaan, luoden sisäisen iskun aallon, joka erotti langat.

Elektrohydraulinen fragmentointimenetelmä

Mielenkiintoista on, että tutkijat havaitsivat elektrohydraulisen fragmentointimenetelmän vaativan vähintään 100 purkausta ennen kuin se vaikutti materiaaliin. Tästä syystä elektrohydraulisen fragmentoinnin kierrätysprosessien käyttökustannukset ovat huomattavasti korkeammat kuin suoran purkauksen vaihtoehdoissa. Lisäksi CF-langoilla oli enemmän hartsijäämää verrattuna suoran purkauksen prosessiin.

Hyödyt

Tämä tutkimus tuo mukanaan monia etuja. Ensinnäkin se avaa mahdollisuuden laajempaan hiilikuitu- ja polymeerikäyttöön. Nämä kevyet materiaalit yleistyvät ajoneuvoissasi, kun tehokkaammat valmistusmenetelmät kehittyvät. Siksi on tärkeää palauttaa tämä arvokas materiaali tehokkaasti.

Tehokas

On useita syitä, miksi suoran purkauksen kierrätysmenetelmä on tehokkaampi kuin elektrohydrauliset fragmentointivaihtoehdot. Yksi syy on, että Joulen lämmitys voidaan tuottaa mikrosekunneissa, mikä mahdollistaa lähes välittömän erottamisen. Tiimi havaitsi, että suoran purkauksen menetelmä paransi energiatehokkuutta vähintään kymmenkerraisesti.

Vaikuttava

Toinen merkittävä tutkimuksen hyöty on sen suurempi vaikuttavuus. Kyky erottaa hiilikuitulankat tarkasti jäämästä on pelin muuttaja. Tämä menetelmä vähentää fragmentaatiota säilyttäen yli 80 % vetolujuudesta.

Ympäristöystävällinen

Ympäristövaikutusten osalta suoran purkauksen lähestymistapa vähentää kaikki riskit. Se ei vaadi haitallisia kemikaaleja eikä suurta lämpöä. Tästä syystä varastointi- ja käyttövaatimukset ovat minimaaliset, mikä mahdollistaa menetelmän käyttöönoton laajemmilla alueilla.

Tutkijat

Hiilikuitujen kierrätystutkimus toteutettiin Wasedan yliopistossa. Professori Chiharu Tokoro Luovan tieteen ja tekniikan laitokselta johti tutkimusta. Myös Keita Sato, Manabu Inutsuka ja Taketoshi Koita osallistuivat tutkimukseen. Nyt tiimi laajentaa toimintaansa tutkiakseen, miten suoran purkauksen menetelmää voitaisiin edelleen parantaa.

Yritykset, jotka voivat hyötyä hiilikuitujen kierrätyksestä

Useita yrityksiä omaa tuotteet ja asema, jotka voivat hyötyä tässä tutkimuksessa esiin tulleesta tiedosta. Hiilikuitua voidaan käyttää monien erilaisten materiaalien korvaamiseen, ja kun sen hinta laskee ja valmistuskapasiteetit kasvavat, on varmaa, että syntyy merkittäviä voittajia. Tässä yksi yritys, joka on hyvin asemoitu hyödyntämään tämän tutkimuksen tuloksia.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) on johtava uusiutuvan teknologian ja infrastruktuurin tarjoaja. Yritys sijaitsee New Jerseyn pääkonttorissa, jossa se tarjoaa maailmanlaajuiselle asiakaskunnalleen tuuli-, aurinko- ja lämpöenergia‑ratkaisuja. Erityisesti Clearway on yksi arvostetuimmista uusiutuvan energian toimittajista. Se operoi tällä hetkellä yli 350 puhdasta energialaitetta Yhdysvalloissa.