碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)復(fù)合材料最初被用于航空航天、汽車比賽及高端體育用品領(lǐng)域,目前這種材料正逐漸應(yīng)用到許多新的制造領(lǐng)域中,對(duì)這些新領(lǐng)域而言產(chǎn)品具有良好的性能、高的強(qiáng)度和輕的重量是非常重要的。近幾十年來隨著價(jià)格的回落和技術(shù)的成熟,碳纖維已廣泛用于商務(wù)飛機(jī)和民用飛機(jī)、娛樂、工業(yè)以及其他領(lǐng)域中。碳纖維復(fù)合材料使飛機(jī)更堅(jiān)實(shí)、更輕、更省油、更便宜,因此航空航天工業(yè)是碳纖維的最大消費(fèi)市場(chǎng),碳纖維使用量占總共使用量的21%。根據(jù)Lucintel公司的一份報(bào)告,過去5年中全球碳纖維市場(chǎng)一直以兩位數(shù)字增長,報(bào)告還指出全球碳纖維市場(chǎng)將繼續(xù)增長、但速度較慢,將從2008年的15億美元增長到2014年的25億美元。處理一個(gè)使用壽命結(jié)束的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)變得非常困難。雖然垃圾填埋場(chǎng)仍然是最便宜的選擇,但大多數(shù)歐盟成員國2004年都頒布了法律,禁止復(fù)合材料的填埋處理。填埋處理不是好的選擇是因?yàn),碳熱固性材料是非降解的,而且它們將引起健康和安全風(fēng)險(xiǎn)。
歐盟成員國2003年11月通過的廢棄車輛(EEEV)指令要求,2015年1月之后生產(chǎn)的每輛汽車的95%必須被再利用或回收。同時(shí)處理碳纖維復(fù)合材料也不經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。為帶來更好的經(jīng)濟(jì)效益,它們應(yīng)該被回收。碳纖維回收是由金融狀況驅(qū)動(dòng)的,是由政府研究獎(jiǎng)勵(lì)因素驅(qū)動(dòng)的,也是由制造商渴望擁有綠色制造工藝和產(chǎn)品的愿望驅(qū)動(dòng)的。一些回收碳纖維的商業(yè)可行辦法,如高溫分解法、微波輻射法(用于加強(qiáng)高溫分解)及流化床法,可以進(jìn)行碳纖維回收,但是這些方法會(huì)導(dǎo)致纖維長度變短,纖維降級(jí),最終導(dǎo)致纖維性能的降低。英國諾丁漢大學(xué)的一個(gè)研究小組已經(jīng)研發(fā)出一種回收碳纖維的方法,這種方法將保留幾乎100%的纖維性能。一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的溶劑體系已經(jīng)被開發(fā)出來,用來溶解復(fù)合材料中的環(huán)氧樹脂,從而分離出單一形式的碳纖維,而不破壞它們的長度。該研究小組利用了超臨界流體的溶解能力,這些超臨界流體為一類在其他行業(yè)已被證明有效的溶劑。
他們研究了超臨界水,二氧化碳還有一些有機(jī)溶劑包括乙醇、甲醇和丙酮,最后選用了丙醇——一種可支付的起的短鏈醇,這種醇處在正常狀態(tài)就很適合用于溶解樹脂。選用醇是非常好的,因?yàn)樗麄冎恍枰m度的壓力(2~7兆帕)就可以進(jìn)入超臨界狀態(tài),盡管需要溫度較高,為200-450℃。與水相比這種醇更便于他們使用,水需要22.1兆帕的壓力和374℃的高溫來達(dá)到臨界點(diǎn)。另外乙醇和甲醇在溶解玻璃纖維復(fù)合材料中的聚酯樹脂時(shí)很有效,但不能很好的溶解環(huán)氧樹脂,丙醇(正丙醇)卻可以順利地分解環(huán)氧樹脂。試驗(yàn)結(jié)果表明,回收的碳纖維具有很高的強(qiáng)度和剛度,是原始強(qiáng)度和剛度的99%。目前為止這些實(shí)驗(yàn)只是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行操作,更多的研究努力需要投入,從而使這一過程商業(yè)化。碳纖維回收具有三重環(huán)境效益:阻止了碳纖維使用一次后就被填埋的浪費(fèi);同時(shí),使用回收碳纖維制作的部件也是可回收的,因?yàn)樘伎梢员A粼夹阅苤兄匾囊徊糠,即便是在二次利用后也是如此;此外,回收過程本身就已經(jīng)大大減少了能源消耗。
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