Saat Serat Karbon Menjadi Umum, Bagaimana Cara Daur Ulangnya?

Carbon Fiber adalah material ringan dan tahan lama yang telah menjadi umum di industri otomotif, pembangkit angin, dirgantara, dan robotik. Material komposit canggih ini memberikan kekuatan dan dapat dibentuk untuk hampir semua aplikasi. Karena itu, ia menjadi pilihan yang sangat populer. Secara khusus, popularitas ini menimbulkan beberapa masalah terkait cara menangani limbah serat karbon dari produk yang sudah dibuang. Berikut semua yang perlu Anda ketahui.

Polimer Penguat Serat Karbon (CFRPs)

Serat karbon dapat disusun dalam pola berbeda dan dilapisi dengan resin matriks untuk membuat polimer penguat serat karbon. Material ini memiliki rasio kekuatan-terhadap-berat yang luar biasa sehingga menjadi komponen utama dalam peralatan paling canggih, manufaktur, dan proses pembuatan energi saat ini.

Membuang Serat Karbon

Setelah sebuah produk yang mengandung serat karbon menjadi sampah, material yang tahan lama dan masih berharga ini perlu diekstraksi. Struktur kompleks potongan serat karbon dan ketidakmampuan mengubah bentuk epoksi setelah mengeras terus menjadikan pengelolaan limbah sebagai masalah serius. Oleh karena itu, beberapa metode daur ulang baru muncul dalam beberapa tahun terakhir.

Metode Daur Ulang Tradisional

Sayangnya, banyak metode daur ulang tradisional yang paling populer tidak berfungsi atau memerlukan energi yang sangat besar untuk diselesaikan, menghilangkan manfaat biaya apa pun. Menggunakan bahan kimia untuk melonggarkan epoksi dan menghilangkan serat tidak efisien. Selain itu, hal ini menghasilkan banyak limbah lingkungan berupa bahan kimia berbahaya.
Metode lain mengharuskan polimer serat karbon dipanaskan secara ekstrem untuk menciptakan pemisahan. Metode ini memakan banyak energi dan berbahaya. Selain itu, kedua metode tersebut mengurangi kekuatan tarik serat karbon yang dipulihkan hingga 85%, menjadikan material tidak dapat digunakan untuk sebagian besar aplikasi.

Fragmentasi Elektrohidrolik

Saat ini, cara paling canggih untuk memulihkan serat karbon dari polimer adalah dengan metode fragmentasi elektrohidrolik. Pendekatan ini mengirimkan pelepasan tegangan tinggi melalui kolam air. Serat karbon berada di dalam kolam tersebut saat pulsa tegangan tinggi menghasilkan plasma. Gelombang plasma beroperasi dalam pulsa mikrodetik yang memisahkan material melalui gelombang kejut.
Pendekatan ini jauh lebih efisien dan efektif dibandingkan metode lain yang mengandalkan panas dan bahan kimia. Selain itu, ia hanya menggunakan sekitar sepertiga energi dibandingkan metode daur ulang tradisional dan dapat secara efektif menghilangkan perekat serta resin. Namun, ada beberapa kekurangan, seperti penurunan kekuatan tarik serat karbon.

Diperlukan Opsi yang Lebih Baik

Meskipun metode Fragmentasi Elektrohidrolik merupakan lompatan besar dibandingkan proses kimia, metode ini masih memiliki kekurangan. Solusi yang lebih baik akan mempertahankan kekuatan serat, memungkinkan bahan tersebut digunakan kembali berkali-kali tanpa mengurangi daya tahannya. Idealnya, proses tersebut akan menghilangkan semua residu resin dan perekat dari serat. Untungnya, tim peneliti inovatif dari Universitas Waseda telah memperkenalkan proses baru yang dapat merevolusi daur ulang serat karbon, memungkinkan material ini digunakan dalam lebih banyak aplikasi tanpa risiko lingkungan.

Studi Pulsa Listrik Direct Discharge untuk Daur Ulang Serat Karbon

Insinyur Universitas Waseda memperkenalkan metode daur ulang yang lebih efisien dan biaya lebih rendah untuk memproses polimer serat karbon. Pendekatan ini, yang disebut Direct Discharge, dijelaskan secara detail dalam sebuah makalah yang dipublikasikan di jurnal ilmiah. Dalam makalah¹, tim tersebut memperkenalkan pendekatan baru mereka untuk daur ulang serat karbon dan mengujinya dibandingkan metode fragmentasi elektrohidrolik.

Pulsa Listrik Direct Discharge

Metode pulsa listrik direct discharge menghilangkan kebutuhan untuk menerapkan arus ke dalam kolam. Sebagai gantinya, ia memanfaatkan pemanasan Joule dan ekspansi uap untuk memisahkan material dari dalam ke luar. Metode ini menghasilkan plasma di sepanjang tepi material. Selanjutnya, stres termal menciptakan gaya ekspansi, memisahkan serat dari epoksi.

Uji Pulsa Listrik Direct Discharge untuk Daur Ulang Serat Karbon

Untuk membuktikan efektivitas metode baru mereka, beberapa pengujian dilakukan. Pengujian tersebut membandingkan kedua metode daur ulang serat karbon secara detail. Secara khusus, insinyur memantau metrik utama, termasuk panjang serat karbon, kekuatan tarik, jumlah residu resin yang tidak terangkat, dan degradasi keseluruhan. Selain itu, tim membandingkan kebutuhan energi untuk memperoleh pemahaman penuh tentang kemampuan masing-masing metode.

Laminasi CFRP

Para ilmuwan memulai fase pengujian dengan membuat laminasi CFRP. Laminasi tersebut dirancang untuk mewakili komponen pesawat umum, menjadikannya cara ideal untuk menguji efektivitas dalam skenario dunia nyata. Laminasi tersebut hanya setebal 8 mm dan menggunakan lapisan anyaman polos serat karbon yang umum. Material ini memiliki lapisan berurutan yang disusun dengan orientasi bergantian pada sudut 45 derajat. Tata letak ini umum karena memberikan ketahanan dan daya tahan yang luar biasa.

Metode Direct Discharge

Untuk menguji metode Direct Discharge, tim membuat dua sampel CF dengan panjang 100 mm dan 30 mm. Insinyur mengisolasi sampel menggunakan penjepit berlapis karet untuk memastikan aliran arus tetap stabil. Selanjutnya, seluruh rangkaian ditempatkan dalam air keran, dan pulsa diterapkan langsung ke sampel.
Secara khusus, insinyur menguji proses dengan tegangan pengisian 10 kV dan kapasitansi 80 µF. Data ini direkam menggunakan rangkaian sensor dan kamera video berkecepatan tinggi. Insinyur kemudian menggunakan tomografi sinar-X dan simulasi medan listrik untuk melacak residu yang tersisa.

Metode Fragmentasi Elektrohidrolik

Untuk menguji metode elektrohidrolik, tim membuat sampel berbentuk kotak 20 mm. Sampel yang lebih kecil memungkinkan insinyur menggunakan wadah pengujian yang lebih kecil, sehingga dapat melacak perubahan dengan lebih baik. Sampel ditempatkan dalam air dan arus listrik diterapkan ke air, bukan langsung ke polimer Serat Karbon seperti pada metode Direct Discharge.

Mengukur Serat

Setelah eksperimen, peneliti mengumpulkan 100 helai serat karbon dari setiap pengujian. Mikroskop optik HiROX RX-100 digunakan untuk membandingkan panjangnya. Selanjutnya, helai tersebut dipindai untuk integritas struktural menggunakan mikroskop elektron pemindai TM4000 Plus. Selain itu, tim menimbang helai pada suhu yang berbeda untuk melacak degradasi, dan melakukan uji kekuatan tarik serat tunggal menggunakan SHIMADZU EZ-SX.

Hasil Pengujian Daur Ulang Serat Karbon

Hasil studi menunjukkan bahwa Direct Discharge lebih efektif untuk pemulihan CF dibandingkan metode Fragmentasi Elektrohidrolik. Peneliti menentukan bahwa pendekatan baru mereka mampu memulihkan serat yang lebih panjang dengan kekuatan lebih tinggi. Selain itu, metode ini berhasil memisahkan serat yang lebih panjang secara lengkap dan menghilangkan residu. Secara mengesankan, tim menemukan bahwa metode pemulihan ini mempertahankan 81% kekuatan tarik.

Direct Discharge Lebih Efisien.

Metode Direct Discharge terbukti lebih efisien secara keseluruhan. Ketika pulsa listrik diterapkan, tim mencatat perubahan langsung sejak pulsa pertama. Efek ini terjadi cepat karena bagian resin terurai menjadi plasma, menciptakan gelombang kejut internal yang memisahkan serat.

Metode Fragmentasi Elektrohidrolik

Menariknya, peneliti menemukan bahwa metode Fragmentasi Elektrohidrolik memerlukan setidaknya 100 muatan sebelum menunjukkan efek pada material. Oleh karena itu, biaya operasional proses daur ulang Fragmentasi Elektrohidrolik jauh lebih tinggi dibandingkan opsi Direct Discharge. Selain itu, terdapat lebih banyak resin yang tersisa pada serat CF dibandingkan proses Direct Discharge.

Manfaat

Penelitian ini memberikan banyak manfaat. Pertama, ia membuka peluang penggunaan serat karbon dan polimer yang lebih luas. Material ringan ini akan menjadi lebih umum dalam kendaraan Anda seiring munculnya metode manufaktur yang lebih efisien. Oleh karena itu, penting untuk memulihkan material berharga ini secara efisien.

Efisien

Ada beberapa alasan mengapa pendekatan daur ulang Direct Discharge lebih efisien dibandingkan opsi Fragmentasi Elektrohidrolik. Pertama, pemanasan Joule dapat dihasilkan dalam mikrodetik, memberikan pemisahan hampir seketika. Tim menemukan bahwa metode Direct Discharge meningkatkan efisiensi energi setidaknya 10 kali lipat.

Efektif

Manfaat utama lain dari penelitian ini adalah bahwa ia lebih efektif. Kemampuan untuk memisahkan serat karbon secara akurat dari residu merupakan perubahan besar. Metode ini mengurangi fragmentasi sambil mempertahankan lebih dari 80% kekuatan tarik.

Ramah Lingkungan

Dari segi dampak lingkungan, pendekatan Direct Discharge mengurangi semua risiko. Metode ini tidak memerlukan bahan kimia berbahaya atau panas berlebih. Oleh karena itu, kebutuhan penyimpanan dan penerapan minimal, memungkinkan metode ini diterapkan di lebih banyak wilayah.

Peneliti

Penelitian daur ulang Serat Karbon dilakukan di Universitas Waseda. Profesor Chiharu Tokoro dari Departemen Ilmu dan Teknik Kreatif memimpin studi ini. Keita Sato, Manabu Inutsuka, dan Taketoshi Koita juga berkontribusi pada penelitian. Sekarang, tim akan memperluas upaya mereka untuk melihat cara lebih lanjut meningkatkan metode Direct Discharge.

Perusahaan yang Dapat Memanfaatkan Daur Ulang Serat Karbon

Beberapa perusahaan memiliki produk dan posisi yang dapat memanfaatkan penelitian yang ditemukan dalam studi ini. Serat Karbon dapat digunakan untuk menggantikan banyak material berbeda dan seiring harga menurun serta kemampuan manufaktur meningkat, pasti akan ada pemenang serius. Berikut satu perusahaan yang tepat untuk memetik manfaat dari studi ini.

Clearway Energy Inc.

Clearway Energy Inc. (CWEN ) (CWEN ) adalah penyedia teknologi dan infrastruktur terbarukan terkemuka. Perusahaan ini berkantor pusat di New Jersey dimana ia menyediakan solusi energi angin, surya, dan termal bagi klien global. Secara khusus, Clearway merupakan salah satu penyedia energi terbarukan paling terkemuka. Saat ini, ia mengoperasikan lebih dari 350 produk energi bersih di seluruh AS.

Investor menganggap Clearway sebagai pilihan menarik karena stabilitasnya dan komitmen perusahaan terhadap transparansi serta inovasi. Jika Clearway Energy Inc. mengintegrasikan serat karbon daur ulang ke dalam produknya, perusahaan dapat memperoleh penghematan signifikan. Penghematan ini dapat diteruskan kepada konsumen, mendorong adopsi energi terbarukan dan meningkatkan ROI Clearway Energy.

Daur Ulang Serat Karbon adalah Kunci bagi Banyak Industri

Ketika Anda melihat hasil studi daur ulang serat karbon, jelas bahwa metode baru ini akan membuka peluang serat karbon yang lebih murah dan lebih tersedia. Di masa depan, komponen pada mobil Anda yang sebelumnya beratnya beberapa pon dapat menjadi seberat ons sambil tetap mempertahankan kekuatannya. Semua faktor ini dan banyak lagi menjadi mungkin berkat peneliti inovatif yang mendorong metode daur ulang serat karbon yang lebih efisien.

Pelajari lebih banyak proyek keberlanjutan sekarang.

Referensi Studi:

^{1. Tokoro, C., Sato, K., Inutsuka, M. et al. Efficient recovery of carbon fibers from carbon fiber-reinforced polymers using direct discharge electrical pulses. Sci Rep 14, 29762 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}