Технология утилизации углепластиков

В данной статье рассматриваются различные виды композиционных материалов и их методы утилизации, преимущества и недостатки.

Ключевые слова: композиционный материал, углепластик, ПКМ.

В настоящее время создание композиционных материалов, основу которых составляют углепластики с различными полимерными связующими, является перспективным направлением развития науки. Возрастающий спрос на данные материалы объясняется тем, что по удельным показателям прочности и жесткости они превосходят практически все наиболее широко используемые конструкционные полимерные и металлические материалы.

Важнейшей частью ПКМ (полимерного композиционного материала) является полимерная матрица, оказывающая решающее влияние на эксплуатационные свойства композита. Для углепластиков используют как термореактивные, так и термопластичные связующие.

Для создания высокотемпературных ПКМ используют полимерные матрицы гетероциклического строения, обеспечивающие стойкость к воздействию температур ˃200°С, наиболее распространенными классами которых являются бензоксазины, циановые эфиры, бисмалеинимиды, полиимиды, фталонитрилы. Композиты на основе бисмалеинимидных связующих посволяет использовать углепластики в диапазоне температур до 250°С. Они широко применяются в авиационной промышленности в конструкциях истребителя F-22, военно-транспортного самолета С-17 и вертолета Bell429, самолетов Airbus. В более широком диапазоне температур применяются ПКМ на основе полиимидных свзяующих, которые используются для изготовления реактивных двигателей, в качестве теплозащитных экранов и системы теплозащиты авиационных двигателей, заменяя титан для снижения массы. [1]

Одними из наиболее перспективных типов термостойких термопластичных полимерных матриц для ПКМ являются полиэфирэфиркетоны (ПЭЭК). Их достоинства — высокие физико-механические свойства, термостабильность, химическая стойкость. Наряду с полиэфиримидами и полисульфонами эти материалы широко используются в агрегатах авиационной техники, работающих под нагрузкой и при повышенных температурах. Недостатками ПЭЭК, частично вытекающими из их достоинств, в частности, являются: сложность их механической обработки, неспособность растворяться в растворителях, высокие энергозатраты на их формование. [2]

Однако область применения углепластиков на термопластичной матрице несколько ограничена из-за низкой прочности материалов при сдвиге, что связано с низкой адгезией связующего к поверхности углеродных волокон, обусловленной особенностями их строения, состоянием и свойствами поверхности, наличием дефектов. На величину адгезии влияют мелкие микрочешуйки на поверхности волокон, которые содержат повышенное количество кристаллического графита и микротрещины. Для устранения этой проблемы часто используют обработку поверхности углепластиков с помощью окисления, благодаря которому удается удалить дефектный слабо связанный с поверхностью слой углерода. [3]

Также используют обработку аппретами и комбинированную обработку, суть которой заключается в окислении (озонировании) и последующем нанесении полимерного покрытия из блок-сополимеров. [3]

Основными проблемами углепластиков являются их дороговизна и технология утилизации. Путь решения является приоритетной материаловедческой задачей, так как создание и внедрение новых материалов неизменно приводит к образованию отходов.

Широкое использование углепластиков приводит к разработке оптимальной технологии утилизации, основная проблема которой состоит в экологическом факторе. Их отличительной особенностью является невозможность утилизации классическими методами, например, переплавкой, которую используют для металлов и многих полимеров. Так как матрица ПКМ часто состоит из неплавких полимеров, их разрушение не приводит к образованию расплава, также углепластики создают из непрерывных волокон или плетенных тканей, в итоге вторичный материал становится дискретным и разнонаправленным.

Таблица 1

Основные направления утилизации углепластиков

Захоронение углепластков . С давних времен так сложилось, что отходы подвергались утилизации, а именно захоронению на свалках, полигонах и так далее. Данный метод хоть и является легким в применении, но наносит огромный вред окружающей среде. Вторичная же обработка сократит выбросы загрязняющих веществ в атмосферу, воду, а также количества спроса на энергию. Таким образом, переработка приводит к существенному улучшению воздействия композитных материалов на окружающую среду. [4]

Механическая обработка. Этот метод заключается в мелком измельчении материалов. Механическое измельчение в большей степени применяется для стекловолокон, но также имеются исследования этой технологии для композиционного материала. Использование измельченного углеродного волокна может иметь два назначения: наполнитель или армирующий материал. Его использование в качестве наполнителя коммерчески нецелесообразно, так как есть более дешевые аналоги материалов. [5]

Термическая утилизация. Термическая переработка композитов включает в себя отделение матрицы от волокон путем нагревания. Существует два основных типа методов термической переработки: пиролиз и процесс переработки в псевдоожиженном слое. В обоих случаях смола улетучивается до молекул меньшего веса с образованием в основном масла и газов, в то время как волокна извлекаются, обычно с обугливанием на их поверхности. Эти термические процессы широко применяются в промышленности, из которых пиролиз используется чаще. Из-за гораздо более высокой рыночной стоимости углеродных волокон пиролиз композитов, армированных углеродным волокном, имеет более высокую экономическую привлекательность.

Термохимическая утилизация . Переработка отходов углепластика путем пиролиза создает дополнительную проблему управления жидкостями, которые образуются в процессе, в результате термохимического разложения. Поэтому в настоящее время изучаются другие, менее дорогостоящие альтернативы. В связи с этим многие исследователи исследовали разложение полимерной матрицы и восстановление углепластикового углеродного волокна с использованием химической обработки для разрушения и разложения смолы. Растворителем может быть вода (гидролиз) или органика (сольволиз). [4] Сольволиз предлагает большое количество возможностей благодаря широкому диапазону растворителей, температур, давлений и катализаторов. В зависимости от количества растворителя и температуры жидкость может быть паровой, жидкой, двухфазной или сверхкритической.

Для утилизации полимерных композиционных материалов используют различные методы, каждый из которых обладает своими особенностями, плюсами и минусами. Особенным преимуществом обладает переработка материала для повторного использования, ведь так важно оберегать окружающую среду.

Литература:

1. Валуева М. И. et al. Мировой рынок высокотемпературных полиимидных углепластиков (обзор) [Electronic resource]. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/mirovoy-rynok-vysokotemperaturnyh-poliimidnyh-ugleplastikov-obzor/viewer (accessed: 02.04.2022).
2. Federal State Unitary Enterprise «All-Russian Scientific Research Institute of Aviation Materials» et al. CARBON FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC ON THE BASIS OF POLYETHERETHERKETONES // PVIAM. 2020. № 45. P. 22–31.
3. Federal state unitary enterprise «All-Russian scientific research institute of aviation materials» et al. Development and research of finishing compositions for thermoplastic carbon plastics // PVIAM. 2016. № 12. P. 9–9.
4. Characterization of Carbon Fibers Recovered by Pyrolysis of Cured Prepregs and Their Reuse in New Composites | IntechOpen [Electronic resource]. URL: https://www.intechopen.com/chapters/59532 (accessed: 22.08.2022).
5. Oliveux G., Dandy L., Leeke G. Current Status of Recycling of Fibre Reinforced Polymers: review of technologies, reuse and resulting properties // Progress in Materials Science. 2015. Vol. 72. P. 61–99.