隨著航空航天工業(yè)對輕量化、高性能材料需求的增長，碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料在飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用日漸廣泛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，碳纖維的需求年增長率高達(dá)15%，預(yù)計(jì)到2020年將超過供應(yīng)量，凸顯出資源可持續(xù)利用的重要性。然而，與金屬材料相比，CF復(fù)合材料的生產(chǎn)和使用壽命終結(jié)后產(chǎn)生的廢棄物，面臨著有限的回收再利用途徑，往往只能填埋處理，不僅浪費(fèi)資源，還增加了制造商的成本負(fù)擔(dān)�，F(xiàn)如今的碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(CF/PEEK)復(fù)合材料可回收性又怎么樣呢？
圖1：碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮航空件
科學(xué)家們展開了對CF/PEEK復(fù)合材料廢棄物回收再利用的研究，以期發(fā)掘其內(nèi)在價(jià)值，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)的雙重目標(biāo)。過去的研究嘗試了化學(xué)分解和熱降解等方法分離碳纖維和樹脂，但這些方法通常伴隨著高昂的能耗、化學(xué)品消耗以及可能加重碳足跡等問題，因此尋找更為經(jīng)濟(jì)可行、綠色低碳的解決方案勢在必行。
本文我們由國內(nèi)完成碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料廠家智上新材給大家?guī)黻P(guān)于熱塑性碳纖維的可回收性。我們從航空航天工業(yè)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮復(fù)合材料的回收研究來看熱塑性碳纖維復(fù)材的可回收性。通過Hui Li和Karl Englund主導(dǎo)的研究，成功地將CF/PEEK工業(yè)切割邊角料轉(zhuǎn)化為新的高性能復(fù)合產(chǎn)品。
首先，對原始CF/PEEK復(fù)合材料進(jìn)行了全面的熱力學(xué)表征，包括動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析、差示掃描量熱分析和熱重分析，確保了解材料的基本性能特征。接著，研究者利用熔融粘接技術(shù)和熱固性膠黏劑將CF/PEEK廢料重新粘合成一體，并通過雙剪切測試來評(píng)估粘接質(zhì)量。
圖二：溫度和時(shí)間數(shù)據(jù)
通過相對應(yīng)的研究樹脂中看，將CF/PEEK廢料裁切成特定尺寸的樣本條，進(jìn)行雙剪切強(qiáng)度測試。實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括不同溫度(380°C、390°C和400°C)和時(shí)間(3、5、10和20分鐘)下的熔融粘結(jié)。此外，還測試了不同類型的熱固性膠粘劑對粘結(jié)性能的影響，包括帶有催化劑的mdi膠和層壓環(huán)氧樹脂。
研究中通過DSC分析監(jiān)控材料的熱行為，通過TGA分析測量材料的熱穩(wěn)定性，以及通過DMA技術(shù)分析pMDI膠粘劑(帶或不帶催化劑)的固化行為。實(shí)驗(yàn)還涉及了LFT-D工藝下的熱塑性復(fù)合材料熱壓成型，并制備了帶有連續(xù)纖維增強(qiáng)層的三明治結(jié)構(gòu)樣品，以便研究其微觀力學(xué)性能和增強(qiáng)架構(gòu)對復(fù)合材料力學(xué)響應(yīng)的影響。
在CF/PEEK廢料處理階段，通過錘磨等方式進(jìn)行機(jī)械細(xì)化，然后將細(xì)化后的材料高溫壓制形成面板復(fù)合材料。研究確定了粒子尺寸和加工溫度對最終產(chǎn)品力學(xué)性能的具體影響，并成功實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化條件下的高品質(zhì)復(fù)合材料再生制品。通過后熱成型工藝，提高了再生復(fù)合材料的實(shí)用性和市場價(jià)值，其中一些復(fù)雜的內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)僅能通過LFT-D技術(shù)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步證明了這種回收工藝的先進(jìn)性和潛力。
圖三：回收后的成型產(chǎn)品性能
我們在看到整個(gè)的研究數(shù)據(jù)中，明顯能夠看到隨著顆粒尺寸減小，復(fù)合材料的力學(xué)性能得到提升，最優(yōu)的粉碎粒度條件為390°C和16分鐘。后續(xù)在對回收后的材料進(jìn)行應(yīng)用，制造出平面板材等后熱成型處理，通過這樣的方式，從而很好的完成該材料在應(yīng)用后再次回收應(yīng)用的閉合循環(huán)利用和實(shí)際零件或組件制造的可能性，證實(shí)了該回收過程及產(chǎn)品的巨大潛力。
為進(jìn)一步優(yōu)化再生復(fù)合材料的性能，研究團(tuán)隊(duì)將CF/PEEK廢料精細(xì)化處理成一系列元素尺寸，然后在高溫高壓條件下進(jìn)行熱壓成型，制成面板狀復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)，元素尺寸大小和加工溫度對復(fù)合材料力學(xué)性能具有顯著影響。進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表示中，最佳的粉碎粒度為小于4.7毫米，且在390℃下熱壓16分鐘可獲得最優(yōu)的力學(xué)性能。
在后期的“后成型”環(huán)節(jié)中，代表性的再生復(fù)合材料面板經(jīng)過了進(jìn)一步的高級(jí)機(jī)器人裝配系統(tǒng)處理，通過熱成型工藝轉(zhuǎn)化成了三維部件，其抗彎性能相較于未熱成型前有了明顯改善，尤其是在撓曲強(qiáng)度上表現(xiàn)出了統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的顯著差異。這意味著通過合理的熱壓和熱成型工藝，可以從CF/PEEK廢料中創(chuàng)造出具有較高附加值的新一代復(fù)合材料產(chǎn)品。
圖4：智上新材的CFPEEK單向帶
成功完成CFPEEK材料的可回收，預(yù)示著該材料將會(huì)實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)兼顧可回收性。值得注意的是，相比于傳統(tǒng)的熱固性CFRP，CF/PEEK這樣的熱塑性復(fù)合材料因其更快的加工速度、更高的韌性、幾乎無限的儲(chǔ)存壽命以及更好的可回收性，正逐漸成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。尤其在汽車行業(yè)中，出于節(jié)能減排和應(yīng)對嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的制造商開始轉(zhuǎn)向采用熱塑性CFRP，以實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)兼顧可回收性。智上新材作為國內(nèi)完成CF/PEEK復(fù)材量產(chǎn)的廠家，也在積極的完善后續(xù)熱塑性復(fù)材制品的可回收性進(jìn)程，跟相關(guān)落地領(lǐng)域客戶進(jìn)行對接，更好的推動(dòng)該高性能材料走向更美好的明天。
在這項(xiàng)研究中的科研人員，借此重新開發(fā)出一套創(chuàng)造價(jià)值型復(fù)合材料的回收流程，將CF/PEEK廢料最大化地轉(zhuǎn)化為具有優(yōu)異性能的新產(chǎn)品。這一研究成果不僅揭示了CF/PEEK復(fù)合材料廢棄物在實(shí)際操作層面的高價(jià)值再利用途徑，也有力推動(dòng)了航空航天乃至汽車制造業(yè)對復(fù)合材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為構(gòu)建更加可持續(xù)的未來材料供應(yīng)鏈打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過不斷的科技創(chuàng)新和工藝優(yōu)化，碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回收利用率有望得到顯著提升，真正實(shí)現(xiàn)“從搖籃到搖籃”的綠色循環(huán)生產(chǎn)模式。也對于熱塑性碳纖維復(fù)材的可回收性，給到強(qiáng)有力的佐證。
本文數(shù)據(jù)來自于：Journal of Composite Materials
