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用于纏繞復(fù)合材料環(huán)局部高功率激光誘導(dǎo)熱解的實(shí)驗(yàn)裝置版權(quán)所有：© Fraunhofer EMI
來源|http://nachrichten.idw-online.de
碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、重量輕，是許多行業(yè)的首選材料。但是，這些高性能材料的處理和回收卻帶來了巨大的挑戰(zhàn)。弗勞恩霍夫電磁干擾研究所的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已開發(fā)出一種工藝，可以在不影響其機(jī)械性能的情況下，有效地將廢舊復(fù)合材料中的纖維制備成可再利用的材料。目前的纖維增強(qiáng)塑料回收方法涉及粉碎步驟，這會(huì)縮短纖維的長(zhǎng)度，導(dǎo)致循環(huán)利用率降低。
材料科學(xué)速成班：熱固性與熱塑性復(fù)合材料
碳纖維復(fù)合材料由嵌入聚合物中的纖維紗組成。這樣可以將纖維固定在一起，保持部件的幾何形狀，并保護(hù)纖維不受環(huán)境影響。纖維可以嵌入兩種塑料中：熱固性復(fù)合材料由不能熔化的基體組成，這意味著它們不能再加工，其行為就像粘合劑，固化后形成持久的粘合。相比之下，熱塑性復(fù)合材料可以熔化和再加工。不過，熱固性塑料更容易加工，因此在工業(yè)結(jié)構(gòu)應(yīng)用中使用得更頻繁。
基于剝離的纏繞結(jié)構(gòu)回收
弗勞恩霍夫電磁干擾研究所的研究人員使用高功率激光對(duì)熱固性復(fù)合材料中的纖維增強(qiáng)層進(jìn)行可控回收。這種方法尤其適用于加壓氫氣罐，在氫氣罐的塑料內(nèi)襯上纏繞連續(xù)的碳纖維粗紗，使氫氣罐能夠承受高達(dá) 700 巴的內(nèi)部工作壓力。
這種創(chuàng)新回收方法的優(yōu)勢(shì)在于能夠通過局部熱解去除碳纖維周圍的熱固性基體，而碳纖維本身幾乎不受損壞。“項(xiàng)目經(jīng)理馬修-英伯特（Mathieu Imbert）解釋說："這種工藝的特殊之處在于，我們同時(shí)進(jìn)行基體熱解和纖維粗紗開卷，速度合理，不會(huì)損壞碳纖維。
挑戰(zhàn)在于確定最佳工藝窗口，因?yàn)榛w熱降解發(fā)生在 300 至 600 攝氏度的溫度下，而纖維可能在溫度達(dá)到約 600 攝氏度時(shí)開始受損。“我們?cè)诠に囆屎突厥詹牧腺|(zhì)量之間找到了一個(gè)很好的折衷方案。我們的研究結(jié)果表明，通過這種方法回收的連續(xù)纖維具有與新纖維相同的優(yōu)異性能，因此這種方法極具吸引力"，Imbert 說道。
經(jīng)濟(jì)和生態(tài)優(yōu)勢(shì)合二為一
這種創(chuàng)新方法不僅具有生態(tài)效益，還為回收公司帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)潛力。由于加熱是在局部進(jìn)行的，纖維粗紗也是在同一時(shí)間連續(xù)回收的，因此不需要通常使用厚壁氫氣罐時(shí)所需的較長(zhǎng)的熱解時(shí)間和較高的工藝成本。此外，激光輔助再生工藝所需的能量?jī)H為生產(chǎn)新纖維的五分之一。在當(dāng)前能源成本上升和環(huán)保要求不斷提高的背景下，這些都是關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目預(yù)計(jì)將持續(xù)到 2025 年底。它是由德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)事務(wù)和氣候行動(dòng)部（BMWK）資助的 DigiTain 項(xiàng)目的一部分。研究人員目前正在努力使該工藝更加節(jié)能，并進(jìn)一步提高再生纖維的質(zhì)量。研究小組認(rèn)為，回收材料的高質(zhì)量與低工藝成本之間的積極聯(lián)系是他們計(jì)劃將這種新方法推廣到回收行業(yè)的關(guān)鍵因素。