Recyclingtechnologie für Kohlefaserverbundstoffe: Eine neue Ära des Materialrecyclings einläuten

Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK) werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, hoher spezifischer Festigkeit und spezifischem Modul sowie guter Designbarkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Windkraftindustrie eingesetzt. Eine große Menge an Abfällen aus duroplastischen Kohlefaserverbundwerkstoffen belegt jedoch nicht nur Industrieflächen, sondern belastet auch die Umwelt, sodass die Recyclingtechnologie zu einem Forschungsschwerpunkt im In- und Ausland geworden ist.

 

1.Recyclingtechnologie für Kohlefaserverbundwerkstoffe

Kohlefaserverbundwerkstoffe (CFK) werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Ermüdungsbeständigkeit, hoher spezifischer Festigkeit und spezifischem Modul sowie guter Designbarkeit häufig in der Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Windkraftindustrie eingesetzt. Eine große Menge an Abfällen aus duroplastischen Kohlefaserverbundwerkstoffen belegt jedoch nicht nur Industrieflächen, sondern belastet auch die Umwelt, sodass die Recyclingtechnologie zu einem Forschungsschwerpunkt im In- und Ausland geworden ist.

 

Die Rückgewinnungstechnologie von CFK ist hauptsächlich in mechanische Rückgewinnung, Pyrolyserückgewinnung, chemische Rückgewinnung und einige andere Arten von Rückgewinnungsmethoden unterteilt. Die Entwicklung sowie Vor- und Nachteile der CFK-Recyclingtechnologie sind in Abbildung 1 dargestellt.

2.CF Neue Rückgewinnungsrichtlinie

Neben CFK-Abfällen sind trockene Fasern, die bei der Herstellung anfallen, eine weitere häufige Abfallart. Diese Abfallfasern stammen hauptsächlich aus Resten, Spulenenden und Teilverteilerkanten. Es wird geschätzt, dass Trockenfasern etwa 40 % des gesamten CF-Abfalls ausmachen. Da sie noch nicht in eine Polymermatrix eingebettet sind, weisen die trockenen Fasern die gleichen Eigenschaften wie vCF auf. Angesichts der Produktion dieser großen Menge an wertvollem Abfall arbeiten Forscher aktiv an der Entwicklung neuartiger Recyclingstrategien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf das Spinnen von CF zu Garn, die Herstellung von Vliesstoffen und die Verwendung einer Mischung aus recyceltem CF und nativem CF zur Herstellung von Non -Crimp-Prepreg-Gewebe.

 

1) Mischgarn auf Basis von rCF

Unter bestimmten Rahmenbedingungen wurde das Material auf 280 °C erhitzt und 30 Minuten lang gehalten, um das erforderliche Verbundmaterial erfolgreich herzustellen. Studien haben gezeigt, dass der Luftmischschritt im Mischprozess die Gleichmäßigkeit von Faserband und Garn effektiv verbessert. Allerdings verursacht dieser Mischvorgang auch eine größere Schädigung der Kohlenstofffaser (CF), da die Gesamtlänge der CF im Garn reduziert wird. Eine eingehende Analyse der mechanischen Eigenschaften des Garns ergab, dass Garne ohne Luftmischung eine höhere Zähigkeit aufwiesen, was hauptsächlich auf die Verringerung der Anzahl gebrochener Fasern und die Erhaltung der Gesamtfaserlänge während der Herstellung zurückzuführen ist. Weitere Untersuchungen zeigen, dass sich die Anfangslänge der Faser negativ auf die Eigenschaften des Garns auswirkt, da sie in direktem Zusammenhang mit der Endlänge der Faser nach der Verarbeitung in der Garnstruktur steht. Insbesondere weisen mit 80 mm CF hergestellte Garne die längste durchschnittliche Faserlänge auf, was ihnen eine überlegene Zähigkeit verleiht. Ebenso weist der unidirektionale (UD) Verbund aus 80 mm CF und PA6 eine Zugfestigkeit von bis zu 800 MPa auf, was die beste Leistung in der Klasse der vorbereiteten Garne darstellt.

 

Hengstermann et al. untersuchte eingehend die Auswirkungen der anfänglichen Faserlänge und des Mischungsverhältnisses auf die Eigenschaften und Merkmale des Garns nach dem Kardieren. Durch Anpassen der Parameter der Karde, einschließlich des Abstands zwischen den Kardierwalzen und der Nadelgröße, mischten sie manuell CF- und PA6-Fasern in zwei Längen von 40 mm und 60 mm entsprechend dem Volumenverhältnis von 30 %, 50 % und 70 %. Nach dem Kardieren wird das CF/PA6-Fasergeflecht einem Prozess wie dem Kombinieren und Spinnen mit einer fliegenden Turbine unterzogen, um schließlich ein gemischtes Garn zu erzeugen. Im Verarbeitungsprozess ist es außerdem erforderlich, die Streck- und Spinnparameter wie Vorschubgeschwindigkeit, Streckverhältnis, Walzenmaterial und Drehungszahl genau anzupassen, um mögliche Schäden an CF zu reduzieren. Die Ergebnisse zeigen, dass sowohl die anfängliche Faserlänge als auch der CF-Gehalt erhebliche Auswirkungen auf die endgültigen Eigenschaften des Kardiernetzes, des Faserbandes und des Garns haben. Garne mit längerem CF weisen eine bessere Ausrichtung, geringere Haarigkeit, höhere Zähigkeit und geringere Dehnung auf als Garne mit 40 mm CF.

 

Dies liegt vor allem daran, dass sich längere Fasern beim Kardieren leichter ausrichten und der Grad der Beschädigung und des Verlusts geringer ist. Darüber hinaus fördern das Vorhandensein längerer CF im Garn und die Zunahme des PA6-Volumens den Zusammenhalt zwischen den Fasern und verbessern die Qualität des Bandspinnens. Es wurde auch festgestellt, dass die Orientierung von CF im Garn, die Länge von CF und die Drehung des Garns positive Auswirkungen auf die endgültige Zugfestigkeit des UD-Verbundwerkstoffs haben. Im Allgemeinen zeigen Faserlänge und Garndrehung eine umgekehrte Beziehung zur Gesamtfestigkeit des entwickelten Verbundwerkstoffs, was hauptsächlich auf ihren Einfluss auf den endgültigen CF-Gehalt und die Länge des Verbundwerkstoffs sowie auf die Regulierung der Polymerpenetration beim Heißpressen zurückzuführen ist.

Abbildung 2: Kardierprozess zur Herstellung einer rCF/PA6-Mischung

 

Um weitere Schäden an Kohlenstofffasern (CF) beim Spinnen zu reduzieren, haben Xiao et al. berichten über die Entwicklung einer kohlenstofffaserverstärkten Thermoplastplatte (CWT) mit verriegeltem Netz, die direkt auf den Mosaikprozess angewendet werden kann. Die Strategie besteht darin, 60 mm lange CF-Abfälle mit einer Polyamid (PA)-Faser mit Kern-Hülle-Struktur zu vermischen, wobei die Hülle aus einem Polyamid 6 (PA6)-Polyethylen (Schmelzpunkt 136 Grad C)-Copolymer und das Kernmaterial aus Polyamid 6 (PA6)-Polyethylen (Schmelzpunkt 136 Grad C) besteht Polyamid 66 (PA66). Im Mischprozess wird die Mischung aus CF- und PA-Fasern mit dem CF-Volumenanteil von 20 %, 30 % und 40 % dosiert und anschließend zu einem Kämmnetzwerk gekämmt. Bei 110 °C wird das Kardiergewebe durch Zieh- und Kalandrierprozesse stabilisiert, wobei die äußere Schicht der Matrix-PA-Faser geschmolzen wird, um eine bestimmte Klebestruktur im Fasergewebe zu bilden, und schließlich das CWT-Blatt hergestellt wird. Bemerkenswerterweise spielte der Streckprozess (30-60 %) eine Schlüsselrolle bei der besseren Ausrichtung der Kurzfaser-CF in der CW-T-Folie. Unter den Druckbedingungen von 280 Grad und 5-9 MPa wird das entwickelte Blech zur Plattenformung durch Kompressionsformungsverfahren verwendet. Der Zugmodul der komprimierten Folie beträgt bis zu 45,6 GPa. Die Erhöhung des CF-Gehalts im CWT verbessert die Zugfestigkeit und das Modulniveau, und die Erhöhung des Zugverhältnisses trägt auch zur Verbesserung der Zugfestigkeit der Hauptlängsrichtung bei.

2) RCF-basierte Vliesstoffe und Prepregs

Eine weitere effektive Möglichkeit, Kohlenstofffaserabfälle zu recyceln, besteht darin, sie bei der Herstellung von Vliesstoffnetzen einzusetzen. Dies zeigt das große Potenzial für das Recycling von Kohlenstofffaserabfällen in Produkten mit hoher Wertschöpfung. EGL Carbon Fiber im Vereinigten Königreich hat die Produktion von rCF-Vliesfilz mit einer Jahreskapazität von 250 Tonnen für ein breites Anwendungsspektrum in der Automobilindustrie erfolgreich industrialisiert und optimiert.

 

 

3.Fazit und Zukunftsausblick

In diesem Artikel werden die Recyclingmethoden für kohlenstofffaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFRC) untersucht und die Behandlungsstrategien für Kohlenstofffaserabfälle, die bei der Trockenherstellung anfallen, ausführlich erörtert. Auf dieser Grundlage hat die Pyrolyse- und Bearbeitungstechnik aufgrund ihres industriellen Anwendungspotenzials große Aufmerksamkeit erregt. Die aktuelle Forschung konzentriert sich jedoch immer noch auf die Verbesserung der Leistung recycelter Fasern und strebt danach, Eigenschaften zu erreichen, die denen der ursprünglichen Kohlenstofffaser unendlich nahe kommen.

 

Zukünftige Forschung sollte sich auf die folgenden Aspekte konzentrieren: Erstens die Erforschung einer neuen Methode zur Verwendung recycelter Fasern zur Herstellung von Verbundwerkstoffen; Die zweite besteht darin, die Grenzflächeninteraktion zwischen Faser und Matrix zu optimieren. Die dritte besteht darin, den Recyclingprozess kontinuierlich zu verbessern. Darüber hinaus ist auch die Entwicklung von Mehrwertprodukten wie Vliesstoffen und Garnen mit recycelten Fasern als Rohstoff eine wichtige Zukunftsrichtung. Für die Behandlung trockener Kohlenstofffaserabfälle bietet die Entwicklung von Mischgarnen und Vliesstoffen gute Aussichten, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Produkte stellt jedoch immer noch eine große Herausforderung dar.

 

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich der Bereich des Recyclings kohlenstofffaserbasierter Produkte in einer Phase rasanter Entwicklung befindet und eine Schlüsselrolle bei der Förderung der Etablierung eines High-Tech-Faser-Kreislaufwirtschaftsansatzes spielen wird. Daher ist in Zukunft mehr Forschung erforderlich, um die Faserqualität zu verbessern und die negativen Umweltauswirkungen des Recyclingprozesses zu verringern

 

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