Наука подарила миру множество новых материалов, которые используются как в предметах быта, так и в проектировании сверхсложных аппаратов для исследования космоса. Одним из таких материалов является углепластик, то есть полимер, армированный углеродным волокном (CFRP). CFRP очень прочен, легок и устойчив к воздействию внешних факторов. Проблема в том, что подобный материал фактически не поддается переработке, если говорить о классических методах ее проведения. Ученые из Университета Васэда (Токио, Япония) разработали новый метод, позволяющий не только перерабатывать CFRP, но и выделять в процессе ценные углеродные волокна, которые можно использовать повторно. В чем секрет данного метода, и как он работает? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP от carbon fiber-reinforced polymers), представляют собой композитные материалы, состоящие из углеродных волокон (CF от carbon fiber) и матричных смол, таких как эпоксидная смола, которые привлекли значительное внимание во многих отраслях промышленности благодаря высокому соотношению прочности к весу и полезным механическим свойствам. Помимо того, что CFRP легкие, они обладают высокой прочностью и устойчивостью к коррозии, износу и усталости. Следовательно, они широко используются в качестве конструкционных материалов в авиации, космонавтике, автомобилях, ветроэнергетике и даже в спортивных товарах для снижения веса. Однако переработка CFRP представляет собой значительную проблему из-за их сложной структуры и сложности отделения CF от полимерной матрицы. Учитывая, что производство CF оказывает значительное воздействие на окружающую среду, необходим эффективный процесс переработки с минимальным воздействием на окружающую среду для достижения углеродной нейтральности и содействия циклической экономике.
Термореактивные смолы, такие как эпоксидная смола, широко используются из-за их превосходной термостойкости, но поскольку их нельзя переплавить или переформовать под воздействием тепла после отверждения, их сложнее перерабатывать по сравнению с термопластичными смолами. Были исследованы различные методы переработки CFRP, включая измельчение, пиролиз и гидролиз. Среди этих методов измельчение является наиболее часто используемой единичной операцией для переработки CFRP; однако сложно добиться точного разделения из-за высокой прочности CFRP. Кроме того, укорачивание и деградация CF, вызванные измельчением, ограничивают их потенциальное применение. Более длинные CF можно разделить, нагрев CFRP до температуры 500–1000 °C и выполнив пиролиз только смолы, но прочность на разрыв восстановленных CF обычно снижается на 50–85% по сравнению с исходной прочностью волокна. Химические методы разложения с использованием органических растворителей, таких как этанол, ацетон и метанол, использовались для отделения CF от разложившейся смолы с сохранением 95–98% первоначальной прочности на разрыв. Однако эти методы требуют дорогостоящего оборудования, которое может выдерживать коррозию, высокие температуры и высокое давление, при этом могут выделяться вещества, вредные для человека и окружающей среды. В целом, переработка CFRP создает проблемы с точки зрения получения длинного CF высокой чистоты с высокой прочностью, а также минимизации воздействия на окружающую среду.
Электрогидравлическая фрагментация (EHF от electrohydraulic fragmentation) недавно была предложена для высвобождения ценных компонентов из электронных отходов, бетона и труднообрабатываемых руд, а также углепластика. Технология EHF основана на интенсивных ударно-волновых импульсах плазмы высоковольтного разряда, генерируемых вдоль границ раздела различных материалов. Энергия, необходимая для EHF, ниже, чем для других методов нагрева, в первую очередь потому, что она работает с использованием электрических импульсов в микросекундном диапазоне. Эта короткая продолжительность приложения энергии значительно снизила общее потребление энергии. Например, в исследованиях по отделению алюминиевой фольги от катодного активного материала в литий-ионных аккумуляторах авторы продемонстрировали, что метод электрического импульса требует всего около одной трети энергии, необходимой при традиционных методах нагрева. Однако методы EHF используют бесконтактный подводный разряд; поэтому трудно добиться высокоселективного разделения при небольшом количестве разрядов. Хотя предыдущие эксперименты EHF продемонстрировали более высокую селективность, чем общее механическое измельчение, многие исследования были сосредоточены на коллективном измельчении с использованием распространения ударной волны, вызванного диэлектрическим пробоем окружающей воды; таким образом, для достижения целевого пробоя требовались сотни облучений. Предыдущие исследования сообщили, что для измельчения углепластиков требуется несколько сотен импульсных разрядов.
Авторы рассматриваемого нами сегодня труда недавно внедрили метод разделения, который включает в себя прямой разряд высоковольтных импульсов в объект и использование джоулева тепла, термического напряжения и силы расширения, вызванной плазмой в объекте. Этот метод прямого разряда (DD от direct discharge) обычно более эффективен, чем EHF, который является косвенным методом разделения, использующим воду. Например, разделение катодных материалов из литий-ионных аккумуляторов и восстановление меди и серебра из солнечных элементов были выполнены с помощью одного высоковольтного импульсного разряда энергоэффективным и точным способом, что превзошло результаты, достигнутые EHF. Что касается CF, крайне важно максимально сохранить прочность длинных волокон в процессе переработки и отделить отдельные волокна без каких-либо клеев или смол на поверхности.
Целью данного исследования было достижение энергоэффективного и точного восстановления CF из CFRP с использованием высоковольтных электрических импульсов. В данном случае ученые сравнили осуществимость методов с разрядом и EHF. Поскольку джоулево тепло может быть получено в CFRP в течение нескольких сотен микросекунд посредством прямых электрических импульсов, считается, что метод DD может разделять CF более эффективно, чем метод EHF, который в основном основан на ударной волне, генерируемой разрядом в воду. Чтобы проверить эту гипотезу, ученые изучили различные физические свойства восстановленных CF, такие как их длина, прочность на разрыв, адгезия смолы и структурная деградация, а также энергоэффективность двух методов с точки зрения разделения CF.
Методология исследования
Изображение №1
Пластины CFRP толщиной 8 мм использовался для моделирования материалов, извлеченных из авиационных деталей. Выше показаны вид сверху и снимки микроскопии поперечного сечения репрезентативного образца. Поверхность представляет собой слой полотняного переплетения, за которым следует слой CF в направлении глубины, а слои CF последовательно расположены с чередующейся ориентацией 45°, как показано на 1b.
Электрические импульсы прикладывались к образцам CFRP в двух различных режимах: DD и EHF. В методе DD подготовленные образцы имели длину 100 мм и ширину 30 мм, как показано на 1a. В методе EHF подготовленные образцы были разделены на квадраты со стороной 20 мм из-за ограниченного объема испытательного сосуда и для обеспечения равномерного приложения электрических импульсов к образцу.
Изображение №2
В методе DD электрические импульсы применялись путем зажима обоих концов образца CFRP между электродами зажимного типа, как показано выше. В нижней части образца использовалась изолирующая резиновая пластина для обеспечения противодействующей силы зажима и обеспечения стабильного тока через образец и электроды. Изоляционная лента была обернута вокруг электродов для управления током, а вся установка образца и электродов была помещена в водопроводную воду.
Изображение №3
Как показано выше, образец и электродная установка были установлены в LCR-цепи, в которой энергия, заряженная в конденсаторе, может быть мгновенно подана на образец путем переключения механического переключателя. Условия электрического импульса включали емкость 80 мкФ, зарядное напряжение 10 кВ и расстояние между электродами 50 мм. Таким образом, энергия (E), инжектированная в образец за один электрический импульс, рассчитывалась с использованием уравнения:
Изображение №4
Поскольку EHF требует многократного применения электрических импульсов, было использовано коммерчески доступное устройство (SELFLAG Lab). Два образца CFRP были помещены на дно испытательного сосуда, при этом CF был выровнен горизонтально, а электроды расположены вертикально, как показано на схеме выше. Электрические импульсы прикладывались до 200 раз с входным напряжением 180 кВ, частотой 1 Гц и расстоянием между электродами 10 мм. Образцы CFRP наблюдались после 10, 50, 100 и 200 импульсов. Емкость составляла 37.5 нФ, а энергия (E), подводимая к образцу за один электрический импульс, рассчитывалась с использованием уравнения:
После экспериментов с импульсным разрядом 100 CF были собраны с помощью пинцета, и их длины были измерены по изображениям, полученным с помощью оптического микроскопа. Испытания на растяжение одиночных волокон проводились на 10-миллиметровых CF с использованием испытательной машины на растяжение со скоростью растяжения 0.4 мм/мин. Ученые выбрали длину датчика 10 мм, поскольку размер образца для EHF составлял 20 мм2 из-за ограничения размера испытательного сосуда. Как правило, чем больше длина датчика CF, тем выше вероятность наличия дефектов или трещин в растягиваемой секции, что приводит к снижению измеренной прочности на растяжение. Однако ученые считают, что этот выбор не влияет на относительное сравнение прочности между методами DD и EHF, поскольку для обоих процессов использовалась одна и та же длина датчика, что обеспечивает согласованность между испытаниями.
Некоторые волокна были дополнительно исследованы с помощью сканирующей электронной микроскопии. Для измерения структурной деградации CF спектры комбинационного рассеяния их поверхностей были измерены в диапазоне 1000–2000 с помощью микроскопа комбинационного рассеяния. Десять точек были измерены с помощью микро-рамановского устройства, изменяя местоположение в продольном направлении. Структурные дефекты были количественно оценены путем рассмотрения соотношения интенсивностей пика, происходящего от дефектов в структуре графита при приблизительно 1350, называемого полосой D, и пика, происходящего от структуры графита при приблизительно 1600, называемого полосой G.
Кроме того, для количественной оценки количества смолы, прилипшей к восстановленным CF, их нагревали на воздухе до 1200 °C со скоростью 10 °C/мин с использованием высокочувствительных дифференциальных тепловых весов, и измеряли потерю веса с ростом температуры. Поскольку эпоксидная смола горит при 200–600 °C, а CF горит при 600–1200 °C, весовая доля смолы, прилипшей к восстановленным CF, рассчитывалась из отношения потери веса при 200–600 °C к потере веса при 600–1200 °C.
Результаты исследования
Изображение №5
Когда был применен один электрический импульс с использованием метода DD, первый поверхностный слой отслоился, и некоторые из CF были разделены, как показано на фото выше. Это может произойти из-за того, что смола около электрода распадается и становится плазмой, образуя путь разряда внутри образца CFRP. Возбуждение окружающего CF генерирует джоулево тепло, которое нагревает окружающую смолу и заставляет ее испаряться и расширяться. Ожидается, что это испарение и расширение будут движущими силами, стоящими за расслоением поверхности.
Изображение №6
В методе EHF почти никаких изменений не наблюдалось после 10 разрядов, однако образцы CFRP начали расслаиваться в течение 100 разрядов, как показано выше. Кроме того, в течение 100–200 разрядов весь образец был полностью фрагментирован. В отличие от метода DD, EHF заставляет окружающую воду распадаться и превращаться в плазму, генерируя ударные волны. Поэтому фрагментация, скорее всего, была вызвана ударными волнами, а не воздействием разряда на CFRP.
Изображение №7
Как показано на изображениях №5 и №6, отдельные волокнистые CF и связанные CF были смешаны в образце после экспериментов. Среди разделенных отдельных волокнистых CF были извлечены 100 CF для каждого метода, и были измерены их длины и предел прочности на разрыв. Как показано на графиках выше, DD был более эффективен в восстановлении длинных CF, сохраняя их прочность. Здесь длина исходного CF на 7a равна длине образца, что подтверждено отдельными микроскопическими наблюдениями. На 7a длина CF, полученная после эксперимента, делится на исходную длину CF, поскольку ученым пришлось использовать образцы с разной длиной для DD и EHF из-за ограничений экспериментальной установки. Однако, поскольку исходная длина CF также больше в DD, чем в EHF, ясно, что легче восстановить более длинные CF в DD.
Из 7b и 7c следует, что CF, восстановленные методом EHF, имели прочность 2.6 × 103 МПа, тогда как CF, восстановленные методом DD, имели прочность 5.1 × 103 МПа. Первоначальный CF имел прочность 6.3 × 103 МПа, и, таким образом, прочность CF, восстановленного методом EHF, снизилась примерно до 40%, тогда как CF, восстановленный методом DD, сохранил примерно 81% своей первоначальной прочности.
Рамановские спектры CF до и после разделения показали, что пики D-полосы, возникающие из-за структурных дефектов в образцах EHF, были относительно больше, чем в исходных образцах, как показано на 7d и 7e. Здесь рамановский спектр является репрезентативным для данных, а отношение G/D показывает среднее значение и вариацию полученных данных. Значения G-полосы, возникающие из-за структуры графита, были нормализованы до 1000 отсчетов. Примечательно, что CF, восстановленный DD, не был значительно ухудшен по сравнению с исходным CF.
Изображение №8
На 8a и 8b показаны наблюдения через сканирующий электронный микроскоп поверхности CF, восстановленных с использованием двух методов. CF, восстановленные с помощью DD, имели большую длину, с небольшим количеством смолы, прилипшей к поверхности, и без трещин или других признаков ухудшения. Напротив, относительно больше смолы прилипло к поверхности CF, восстановленных с помощью EHF.
На 8c показаны кривые термогравиметрии (TG от thermogravimetry), полученные до и после применения электрических импульсов. Поскольку эпоксидная смола разлагается при более низких температурах, чем CF, исходные образцы CFRP демонстрируют потерю веса при более низких температурах, чем исходный CF. Из кривых TG весовая доля смолы, прилипшей к восстановленным CF, была рассчитана из отношения потери веса в диапазоне 200–600 °C к потере веса в диапазоне 600–1200 °C, как показано на 8d. CF, восстановленный EHF, содержал 34 мас.% смолы, тогда как CF, восстановленный DD, содержал 20 мас.% смолы. Поскольку исходный образец слоистого CFRP содержал 36 мас.% смолы, было количественно подтверждено, что количество смолы, прикрепленной к CF, не изменилось во время EHF, но уменьшилось во время DD. Это указывает на то, что метод DD был более эффективным.
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые поставили перед собой задачу разработать более эффективный и экологичный метод переработки углепластика (CFRP от carbon fiber-reinforced polymers), который является полимером, армированным углеродным волокном (CF от carbon fiber). При этом данный метод позволял получить из переработанного материала волокна, пригодные для повторного использования.
Ученые исследовали использование высоковольтных электрических импульсов для эффективного и точного восстановления CF из CFRP. В частности, они сравнили осуществимость нового метода прямого разряда (DD от direct discharge) с традиционным методом электрогидравлической фрагментации (EHF от electrohydraulic fragmentation). Метод DD включает в себя прямой разряд высоковольтных импульсов в CFRP, используя выделение джоулева тепла, образование термического напряжения и силу расширения, вызванную образованием плазмы внутри CFRP. Были измерены длины и предел прочности восстановленных CF.
Измерения показали, что DD восстанавливает более длинные CF с более высокими пределами прочности, чем EHF. Из спектров Рамана и кривых термогравиметрии было подтверждено, что CF, восстановленные DD, содержат меньше смолы и дефектов. Более того, энергоэффективность во время восстановления CF была выше для DD, чем для EHF. Эти результаты показывают, что DD превосходит EHF при переработке углепластика.
Ученые уверены, что их разработка будет крайне полезной, обеспечивая восстановление ресурсов и снижение пагубного воздействия перерабатывающей промышленности на окружающую среду.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
