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研究人员攻克碳纤维回收难题

所属分类:行业动态 | 浏览次数:0 | 发布日期:2017-04-06 16:47:53

碳纤维复合材料集高强度和轻质量与一身,被很多人誉为实现中“清洁经济”的神奇材料。现在,这种材料已被用于推动风电革命以及提升飞机的燃油经济性。

  不仅如此,相比于传统的玻璃纤维叶片,碳纤维制成的涡轮叶片不仅具有更好的耐用性,而且刚性更高,因此能在风力大时确保稳定可靠,在风力小时又能更有效地进行发电。

  另一方面,汽车制造厂家们也在不遗余力地挖掘这一材料的潜能,用于制作更加轻量化、更节能的汽车。

  

  迈凯伦最近宣布,它计划在英国的谢菲尔德开设一家生产碳纤维跑车的工厂,而宝马也不甘示弱地表示,它旗下的i3汽车将配备碳纤维制成的乘客座椅,这将是在量产车上的首次尝试。

  但是,碳纤维也有一个不为人知的缺点:这种高科技材料的生产过程之中会引起严重浪费,而且难以回收利用

  回收难是个大问题

  为了制造这种工业界爱不释手的质量轻、强度高的复合材料,碳纤维首先要与塑料聚合物树脂结合。但是在该材料的使用过程中,需要手工铺设复合材料片,这一环节会引起大量的浪费。

  根据碳纤维再生公司ELG碳纤维的数据,碳纤维材料板在修剪到理想尺寸后,大约有近三分之一的原材料会被丢弃,并最终会进入垃圾填埋场。

  在环保慈善机构“绿色联盟”二月份起草的一份报告中,它将碳纤维列为可能成为未来“废物源”的几种新材料之一,除非人们能够采取有效行动,对碳纤维材料进行回收与再利用。

  研究人员和众多初创公司正争先恐后地进入这一领域,试图解决这一棘手难题。如果他们能够使得碳纤维免于垃圾填埋的命运,那么人们或许能将这些再生碳纤维用于汽车、自行车以及其它数十种应用中。同时,实现碳纤维的循环利用也将节省大量的能源,因为原始材料的生产过程是整个生产中耗能最为严重的部分。

  但是,关键问题在于,碳纤维无法像普通塑料或者金属一样,可以通过简单地熔化变形而重新投入使用。碳纤维复合材料的超高强度源自于其固定于树脂中、纤长且精密排列着的碳纤维。一旦这些聚合物固化之后,大多数的聚合物是无法简单熔融的,只能焚化或者利用化学溶剂,回收其中有价值的纤维。

  ELG碳纤维公司的厂区位于英国西米德兰郡杜德利市附近,早在2009年,他们就在那里通过焚化树脂来回收碳纤维。而另一家位于科罗拉多州的创业公司Vartega,则利用化学手段对树脂进行类似的处理。

  诺丁汉大学机械、材料和制造工程系主任史蒂夫·皮克林(Steve Pickering)表示,上述两种方法都会导致纤维变短,而且相比原生纤维,再生纤维大多混乱无章,会导致承重能力下降。

  皮克林说,再生的碳纤维常常用于制作网球拍和高尔夫球杆。这两种器材对于轻量化的考量要远胜过强度。他补充道,“尽管再生的碳纤维仍然算得上是一种非常好的材料,但是这种材料的性能比不上其他更加廉价的材料,比如铝合金以及其他复合材料。”

  碳纤维的未来

  皮克林的研究团队正努力研究将再生纤维均匀地分散在液体中,然后让它们通过一个微型喷嘴,迫使碳纤维实现重新排列。他认为,这一工艺最终将使得再生的碳纤维拥有足够的强度,从而能够运用于汽车行业之中。

  皮克林表示,更加有效地回收再利用碳纤维,将能显著降低这一神奇材料的使用成本。就目前来说,根据捷豹路虎的研究,当碳纤维用作汽车零部件材料时,其成本高达钢材的20倍,或者是铝的10倍

  科罗拉多州的Mallinda是一家专注碳纤维的初创企业,他的首席执行官克里斯·卡佛(Chris Kaffer)同样认为再生碳纤维将有助于降低成本。该公司开发了一款具有良好重塑能力的新型聚合物,这种聚合物可以在较低的温度下进行浇铸和修复,这将使得他们能在不到一分钟的时间里,利用冲压技术将碳纤维汽车零件成型,而不是现在的几个小时。

  卡佛说:“我们希望通过打造一个将再生纤维纳入新产品中的二级市场,来实现碳纤维使用成本的下降。”

  毫无疑问,这种改变绝不可能一蹴而就。美国的几家主要汽车厂商在采用新材料方面一向是拖泥带水、磨磨蹭蹭。例如,福特公司花了6年时间和十亿美元的代价,才将F150卡车原有的钢制底盘换成铝制的。

  卡弗说:“况且,传统的碳纤维化学工艺已经发展了50年之久,要赶上它们的发展进度,我们任重道远。”

  不过好消息是,碳纤维材料通常十分耐用:至少在未来的十年内,目前的这一代风电涡轮叶片和电动汽车,都不会被人扔进垃圾堆。或许当第二代风轮叶片退役的时候,比起在地上挖个洞,我们能为这些宝贵的碳纤维找到一个更好的归宿。

南通中鼎复合材料有限公司是专业生产
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