【看無人機(jī)夜空秀】復(fù)合材料是如何實(shí)現(xiàn)回收與利用的？

2020-09-04 17:10:26 來源：塑料機(jī)械網(wǎng)原創(chuàng) 作者：四夕閱讀量：42640 評論

導(dǎo)讀：作為高性能類別的結(jié)構(gòu)材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料尤其受歡迎，因具有質(zhì)輕、耐疲勞、耐腐蝕、出色的強(qiáng)度和模量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。而高應(yīng)用率帶來的是高廢棄率，嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)下，回收利用狀況令人擔(dān)憂。

　　【塑料機(jī)械網(wǎng) 編輯視角】9月1日晚，山東省萊西市人民廣場上300架無人機(jī)上演了一場無人機(jī)夜空秀。以天為幕，以城為景，光影變化間勾勒出了“美萊西”、“空中客機(jī)”、“美麗空乘”、“帥氣機(jī)長”等一幕幕璀璨畫卷。

　　隨著無人機(jī)的輕量化需求發(fā)展，其機(jī)體使用的材料也在不斷更新?lián)Q代。復(fù)合材料使結(jié)構(gòu)輕量化，從而進(jìn)一步減少燃油消耗和廢氣排放，在繼鋁合金、鈦合金等輕質(zhì)化金屬材料之后，日益發(fā)展為無人機(jī)制造業(yè)的“新寵”。甚至可以說，以碳纖維復(fù)合材料為核心的無人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造技術(shù)已經(jīng)成為無人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。

　　其實(shí)，不只是無人機(jī)，還有風(fēng)力渦輪機(jī)葉片、高爾夫球桿等眾多我們熟知的產(chǎn)品，纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)復(fù)合材料重量同樣占比很大。在意大利研發(fā)中心CETMA的技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)下，空客A320將熱塑性復(fù)合材料用于焊接龍骨梁；阿科瑪公司的高性能Kepstan 7000 PEKK熱塑性碳纖維復(fù)合材料和9T Labs公司推出的Red系列增材制造解決方案相結(jié)合，生產(chǎn)了一款直升機(jī)艙門鉸鏈零件；中國原創(chuàng)設(shè)計旅行品牌途加(TUPLUS)推出的“核”系列碳纖維旅行箱，采用科思創(chuàng)的碳纖維復(fù)合材料作為旅行箱的前后門板……

　　作為高性能類別的結(jié)構(gòu)材料，碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)復(fù)合材料尤其受歡迎，因具有質(zhì)輕、耐疲勞、耐腐蝕、出色的強(qiáng)度和模量等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。而高應(yīng)用率帶來的是高廢棄率，嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源浪費(fèi)下，回收利用狀況令人擔(dān)憂。

　　今年7月份，布里斯托大學(xué)可持續(xù)發(fā)展峰會上發(fā)起了一項(xiàng)名為“可持續(xù)復(fù)合材料”的新倡議，由國家復(fù)合材料中心(NCC)和工藝創(chuàng)新中心(CPI)牽頭，旨在通過應(yīng)對復(fù)合材料回收的挑戰(zhàn)來開發(fā)下一代可持續(xù)復(fù)合材料。該計劃指出，英國每年生產(chǎn)的11萬噸復(fù)合材料中，目前只有不到15％在其使用壽命結(jié)束時被回收再利用，這意味著英國超過85%的復(fù)合材料在其使用壽命結(jié)束后直接報廢。此外，他還指出，盡管復(fù)合材料可以延長其應(yīng)用產(chǎn)品的使用壽命，但回收過程卻很困難，當(dāng)前的回收技術(shù)通常會降低材料的性能，降低其價值并限制了其應(yīng)用范圍。

　　據(jù)筆者了解，并非沒有人嘗試過對復(fù)合材料進(jìn)行回收。事實(shí)上，恰恰相反。幾十年來，工程界一直致力于物理方法回收FRP復(fù)合材料，但結(jié)果不盡如人意。當(dāng)前，現(xiàn)有的回收FRP復(fù)合材料的方法主要是將FRP切碎后作為添加劑使用，或者對聚合物基體進(jìn)行熱解或溶劑溶解使聚合物基體與纖維分離，從而達(dá)到回收纖維的目的，但這些過程不可避免地會破壞聚合物基體并損傷纖維，降低纖維的長度、強(qiáng)度和剛度，回收價值低。

　　“日拱一卒無有盡”，中國象棋里的“卒”，一次只能走一步，但每天只要前進(jìn)一點(diǎn)點(diǎn)，終會有所成就。

　　近日，事情發(fā)展似乎迎來了轉(zhuǎn)機(jī)。來自美國南加州大學(xué)洛克碳?xì)浠瘜W(xué)研究所和M.C.Gill復(fù)合材料中心的Travis J.Williams教授團(tuán)隊從物理回收方法、高壓分解、大氣壓分解及本征可回收的熱固性基體等方面重點(diǎn)概述了FRP的回收方法，并針對熱固性基體中特定化學(xué)鍵的設(shè)計發(fā)展新的化學(xué)方法，以此應(yīng)用到FRP的回收問題，后對復(fù)合材料的回收方法進(jìn)行了展望。

　　物理回收方法：主要依靠機(jī)械設(shè)備，通過機(jī)械力將復(fù)合材料碾碎、壓碎或切碎，獲得尺寸不一的塊體顆粒、短纖等物質(zhì)。而回收的復(fù)合材料廢料顆粒，可以作為結(jié)構(gòu)填料填充到新的復(fù)合材料或水泥中。但與昂貴的碳纖維成本相比，將CFRP作為添加劑使用所獲得的價值很小。

　　高壓分解：依賴于溶劑體系，使用酸或堿試劑加速其溶解。根據(jù)副產(chǎn)物分析，這些條件似乎以交聯(lián)的C-N鍵和仲醇為目標(biāo)，對二氨基二苯甲酮的觀察表明存在氧化劑如氧氣，會進(jìn)行C-H氧化。

　　大氣壓分解：纖維受損更少，甚至可以保留纖維的原始有序結(jié)構(gòu)。沒有超臨界溫度和壓力的作用，必須選擇一定化學(xué)試劑裂解交聯(lián)鍵，將FRP回收從工程問題轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)問題。需要基礎(chǔ)反應(yīng)化學(xué)方面的專業(yè)知識，而復(fù)合材料回收領(lǐng)域以前從未將其作為重點(diǎn)。

　　本征可回收的熱固性基體：開發(fā)本征可循環(huán)回收的熱固性基體是實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料循環(huán)利用的有效方法。通過引入可降解的化學(xué)鍵(如酯鍵)，熱固性基基體在外界刺激(如溫度、化學(xué)物質(zhì)、光解作用)時可以循環(huán)回收利用。

　　推進(jìn)復(fù)合材料可持續(xù)發(fā)展，降低使用成本和對環(huán)境影響，探索復(fù)合材料回收再利用技術(shù)勢在必行。而顯然，相較于物理回收方法，似乎只要找到僅需要相對溫和條件的可擴(kuò)展解決方案，就可以實(shí)現(xiàn)FRP復(fù)合材料而不會造成其它回收問題。當(dāng)然，這其中高額的運(yùn)行成本和相對較慢的速率問題同樣亟待解決。不過，不管如何，化學(xué)解決方案為之提供了新的思路。

　　部分內(nèi)容參考：中國航空報、*化學(xué)學(xué)會(ROYAL SOCIETY OF CHEMISTERY)

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