Praktyczne włókno karbonizowane z odpadów CFRP

© STFI

Udostępnij:

Trend w tworzeniu konstrukcji kompozytowych z materiałów syntetycznych zawierających wzmocnione włókna węglowe (CFRP) przybiera nieustannie na sile i upowszechnia się także w produkcji seryjnej. W rezultacie produkuje się coraz więcej odpadów. Naukowcy z Saksońskiego Instytutu Badań nad Włókiennictwem pracują nad rozwiązaniem, które umożliwi ponowne zastosowanie drogiego materiału w przemyśle.

Jednym z priorytetów powinno być wprowadzenie dla energochłonnych włókien węglowych efektywnej gospodarki obiegowej w postaci materiałowego recyklingu. Przemawiają za tym zarówno zarządzanie zasobami naturalnymi, jak i aspekty ekonomiczne. Nie można przy tym utracić funkcjonalności i potencjału tych włókien jako materiału wzmacniającego. Na tych założeniach opierają się prace Saksońskiego Instytutu Badań nad Włókiennictwem w Chemnitz. Udało się tam przetworzyć odpady z włókien węglowych na włókna o długości akceptowanej w procesie dalszej przeróbki.



Odpad CFRP – ubogi krewny
Analitycy oceniają rynek CFRP jako solidny, a przede wszystkim posiadający wysoki potencjał wzrostu. Zakłada się 10-proc. roczny wzrost i prognozuje na rok 2020 globalny popyt na włókna węglowe w wysokości 89 000 t [1]. Uzyskiwane w trakcie przetwarzania rozciągniętych struktur węglowych lub odzyskiwane odpady z włókna węglowego w trakcie przetwarzania elementów CFRP stanowią względnie młodą i przez to niezbadaną grupę odpadów. Występowanie ograniczonej ilości włókien węglowych o wystarczającej długości wymaga całkowicie nowego podejścia, stanowi duże wyzwanie i jednocześnie oferuje szansę rynkową dla przemysłu włókienniczego. Bazujące na włóknach węglowych włókniny, taśmy konwerterowe i przędze melanżowe mogą otworzyć drzwi obszarom zastosowań, które ze względu na koszty były do tej pory trudno dostępne lub w ogóle nie były dostępne oraz wymaganiom, którym nie można było sprostać przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów.  



Zgrzeblenie rozszerza horyzont
Od dziesięciu lat Saksoński Instytut Badań nad Włókiennictwem (STFI) pracuje nad przekształcaniem długich włókien odzyskanych z odpadów włókien węglowych na włókniny. W zainicjowanym przez niemieckie Ministerstwo Edukacji i Badań Naukowych konsorcjum o nazwie Mali-Tec opracowano z pomocą przędziny (red. przeszywanego podkładu z przędzy) wzmocnione włókniny z włókien węglowych, a następnie wyprodukowano je i wypróbowano w strukturach CFRP [2, 3]. Po raz pierwszy za pomocą zgrzeblenia (gręplowania) uzyskano włókninę z pierwotnymi włóknami węglowymi o długości większej niż 50 mm. Przy czym oprócz koniecznych środków ochronnych dla zatrudnionych oraz zabezpieczeń przed zwarciami niezbędne okazały się także dalsze techniczne modyfikacje we wszystkich obszarach tworzenia i wzmacniania włókniny. Wkrótce stało się jasne, że bezpośrednie przetwarzanie włókien węglowych składających się z pierwotnych włókien ciętych za pomocą zgrzeblarek walcowych nie jest opłacalne finansowo. Takie włókniny mogą powstawać w wyniku następczej karbonizacji powierzchni wyprodukowanych ze wstępnie utlenionych włókien PAN (poliakrylonitrylu). Na podstawie zebranych doświadczeń w trakcie badań nad włóknami pierwotnymi zrodził się cel wykorzystania we włókninach włókien węglowych poddanych recyklingowi metodą zgrzeblenia.

Zebrane doświadczenie pozwoliło także wyprodukować włókninę z włókien recyklatowych (r-CF) o długości 30 i 100 mm, uzyskanych za pomocą pirolizy z odpadów CFRP.

Ze względu na szczególne właściwości włókien wydaje się, że do wzmacniania włókien karbonizowanych nadaje się póki co wyłącznie system przeszywania runa z układem igieł zbliżonym do procesu Mailwatt (red. przędzina, w której przędza przeszywająca łączy inne włókniny lub kompozyty). Stosunkowo szybko okazało się, że igłowanie runa CF jest także możliwe i już od 40 nakłucia na centymetr kwadratowy uzyskuje się wystarczająco mocne, nadające się do transportu i udrapowane włókniny o mierze powierzchni pomiędzy 40 a 1500 g/m2. Większe miary powierzchni generuje się poprzez zdublowanie prefabrykowanej włókniny [4, 5].

Intensywna kontrola procesu przetwarzania suchych odpadów z włókna węglowego i materiałów powstałych z pirolizy stanowiła centralny punkt zakończonego w grudniu 2014 roku procesu. Przy pomocy zmodyfikowanego pod względem prowadzenia materiału i nakładów energetycznych procesu rozrywania można było wytworzyć porównywalne lub nawet dłuższe włókna przy wyraźnie mniejszym udziale włókien krótkich i wyższą efektywnością ekonomiczną.

Zarówno tkaniny plecione, jak i szyte z włókien węglowych nadają się do przetwarzania po cięciu wstępnym w przeważnie jednostopniowym procesie przeróbczym. Niewielkie uszkodzenia włókien zauważa się przy średnich długościach włókien (ok. 60 mm), które zajmują ok. 85% długości cięcia wstępnego. Dla poddanych przetwarzaniu w drodze procesu rozrywania włókien otrzymanych w wyniku pirolizy stopień uszkodzenia włókien w stosunku do wyjściowej długości cięcia wynosi ok. 25% [6].

Włókna karbonizowane wypierają tworzywa wzmocnione włóknem szklanym
Badania pokazują, że produkcja struktur węglowych w 100% z pierwotnych włókien węglowych oraz w 100% z włókien węglowych pochodzących utylizacji jest możliwa w drodze mechanicznego zgrzeblenia – otwiera to nowe możliwe dla przemysłu. Wysoka plastyczność przy wystarczającej wytrzymałości pozwala na stosowanie materiałów z włókien węglowych jako półproduktów przy strukturalnej produkcji CFRP. Właściwości materiałów z włókien węglowych czynią je interesującymi przede wszystkim dla struktur CFRP o średnich wymaganiach wytrzymałościowych: zatopiony za pomocą formowania w mieszaninie żywicy epoksydowej materiał z włókna węglowego osiąga przy ok. 22% zawartości objętościowej włókien moduły sprężystości 15,7 GPa (MD) lub 30 GPa (CD) oraz wytrzymałość na rozciąganie 200 MPa (MD) lub 404 MPa (CD) – dwa razy więcej niż porównywalne struktury tworzyw wzmocnionych włóknem szklanym. Powtarzalność wyników jest wyraźna, na co wskazuje współczynnik zmienności wynoszący < 2.Pierwsze badania przetwarzania materiałów z włókien węglowych za pomocą procesu RTM pod wysokim ciśnieniem pokazują, że można osiągnąć wzrost zawartości objętościowej włókien, a przez to kolejny znaczący wzrost wytrzymałości i sprężystości modułów [7]. Fundamentalne badania nad prowadzeniem procesu i towarzysząca temu konieczna modyfikacja włó kienniczych półfabrykatów tworzą punkt ciężkości badań kontynuowanych w Instytucie STFI.

Nowe centrum lekkich konstrukcji
Z dzisiejszej perspektywy włókniny można wykorzystywać w funkcjonalnych konstrukcjach kompozytowych, technologiach sportowych i rehabilitacyjnych, wypoczynkowych oraz w budownictwie i architekturze. W związku z wykorzystaniem materiałów otrzymanych z recyklingu zastosowanie włóknin w przemyśle motoryzacyjnym ograniczy się początkowo do części niewpływających na bezpieczeństwo, jak elementy foteli lub okładziny we wnętrzach pojazdów lub bagażnikach czy do nadbudówek typu sandwicz w połączeniu ze strukturami z włókien pierwotnych. Wraz z planowaną na rok 2015 budową centrum lekkich konstrukcji tekstylnych przy instytucie STFI jego działania skoncentrują się na obszarze przetwarzania włókien węglowych i włókien ciągłych, produkcji kompozytów włóknistych oraz ich kontroli. W zakresie przetwarzania włókien węglowych (utylizowanych) udostępnione zostaną instalacje do produkcji zgrzeblonych oraz aerodynamicznie ułożonych włóknin, jak też w półprzemysłowym zakresie instalacji do produkcji taśm i przędzy dla celów badawczych i rozwojowych.

LITERATURA:

[1] T. Kraus, M. Kühnel, Composites - 2014 Marktentwicklungen, Trends, Ausblicke und Herausforderungen, Industrievereinigung Verstärkte Kunststoffe und des Carbon Composites e.V., Oktober 2014, s. 5.

[2] H. Erth, Leichtbau, Automobil & Co. MaliTec-Konsortium für neue Technische Textilien, Mtex-Symposium 4.6.2008, Chemnitz.

[3] J. Schreiber, Grüner Punkt für schwarzes Material, Kettenwirkpraxis 4/2010, s. 17-19.

[4] M. Hofmann, B. Gulich, Faservliesstoffe für die Verbundherstellung – das Recyclingkonzept für Carbonabfälle in Langfaserform, 27. Hofer Vliesstofftage 7.11.2012, Hof.

[5] T. Rademacker, CFK Recycling Center für Europa, 10. STFIKolloquium „recycling for textiles“, 1.12. 2011, Chemnitz.

[6] B. Gulich, M. Hofmann, Aufbereitung von Carbonabfällen und deren Wiedereinsatz in textilen Strukturen unter Nutzung des Kardierprozesses, 3. Fachtagung Carbon Composites, 21.11.2013, Augsburg.

[7] B. Gulich, M. Hofmann, Leichtbau mit Faservliesstoffen – ein umsetzbares Recyclingkonzept für Carbonabfälle, 8. Aachen-Dresden International Textile Conference 28. November 2014, Drezno

Udostępnij:

Drukuj



MM




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również