悉尼大学的研究人员开发了新方法来解决汽车、航空航天和可再生行业未来废物的主要来源。

(资料图)

据估计，到2030年，风力涡轮机叶片、氢气罐、飞机、游艇、建筑和汽车制造中常用的碳纤维和玻璃纤维复合材料(CFRP)将成为全球主要废物流。

如果不采用合适的回收方法，到2050年，仅飞机和风力涡轮机行业产生的 CFRP 废物每年累积量预计将达到840,300吨，相当于34个完整的体育场。

虽然回收方法确实存在，但目前大部分废物都被填埋或焚烧。“原始”复合材料的生产也会对环境产生进一步的影响，包括生产过程中的资源枯竭和高能源输入。

尽管存在多种回收碳纤维复合材料的方法，悉尼大学的一个研究小组表示，如果完全实施这些方法，有可能显着减少70%的能源使用，并防止关键材料流被浪费。

“碳纤维复合材料被认为是一种‘神奇’材料，它们耐用、耐风化且用途广泛，因此预计仅在未来十年，其使用量将增加至少60%，”来自该公司的 Hadigheh 博士说道。土木工程学院。“但这种巨大的增长也带来了废物的大量增加。例如，据估计，到2030年，可再生能源领域将产生约50万吨碳纤维和玻璃纤维复合材料废物。”

为了解决这个问题，Hadigheh 博士和他最近的博士学位。研究生魏亚宁博士开发了一种碳纤维和玻璃纤维复合材料的新回收方法，以防止废弃材料进入垃圾填埋场。发表在《复合材料 B 部分：工程》中，与以前的方法相比，他们的方法可确保增加材料回收率并提高能源效率。

Hadigheh 博士说：“我们的动力学分析表明，与未经处理的 CFRP 相比，经过预处理的 CFRP 经历了额外的反应阶段，能够在较低温度下增强分解。”“溶剂分解预处理不仅有利于更大程度的分解，而且还可以通过减少回收过程中的热量消耗来保留纤维的机械性能。”

由预处理的 CFRP 获得的再生纤维保留了高达90%的原始强度，比仅通过热降解恢复的纤维强度高出10%。

“为了证明我们的方法在现实世界中的适用性，我们使用我们的混合方法成功回收了由 CFRP 复合材料制成的自行车车架和飞机废料的一部分。这些结果不仅验证了化学预处理的有效性，还证明了改进的机械性能再生碳纤维的特性，”Hadigheh 博士说。

在之前的一篇论文中，该团队还根据经济效益和环境影响，并考虑到废物材料的类型及其地理位置，对10种不同的碳纤维和玻璃纤维复合材料废物处理系统进行了详细评估。

Hadigheh 博士的团队发现，溶剂分解法（一种在特定压力和温度下使用溶剂分解材料的方法）可以回收碳纤维，同时带来高净利润。催化热解和热解与氧化相结合等热回收方法也提供了很高的经济回报。

溶剂分解和电化学方法也被证明可以比垃圾填埋和焚烧显着降低向大气中排放的 CO 2。

研究人员表示，制造商不应只关注不断创造原始材料，同时开发来自报废流的回收产品。

“这是一个巨大的机会，”魏博士说。“这不仅是因为各种回收方式都具有成本效益并且对环境的影响最小。”

“在供应链中断日益严重的时代，与进口产品相比，本地回收产品可以提供更直接的产品，并创造一个蓬勃发展的先进制造业。

“虽然消费者日常回收意识不断增强，塑料垃圾也成为人们关注的焦点，但澳大利亚必须紧急考虑大规模回收新一代建筑材料，以免它们成为另一个废物问题并被放入‘太难的篮子里’。”

Hadigheh 博士的团队还在开发复合材料回收的方法，最近获得了一种机器的专利，可以精确排列回收的碳纤维，以便它们可以重新利用。

研究人员对不同的废物处理方法进行了生命周期分析（LCA）、成本效益分析（CBA）和技术准备水平（TRL）评估：填埋、焚烧、机械回收、催化热解、氧化、热解结合氧化、流化床，使用碱和酸溶剂的溶剂分解，以及电化学方法。

更多信息：Y. Wei et al, Development of an innovative hybrid thermo-chemical recycling method for CFRP waste recovery, Composites Part B: Engineering (2023). DOI:10.1016/j.compositesb.2023.110786

关键词：