波音大力促进碳纤维回收技术开发

2019-12-06 06:17 来源:未知

[据欧洲《航空航天制造》杂志2011年11月报道]在沙漠中 “飞机墓场”停放的退役飞机通常是在飞行服役结束后就进来了,好的零件被拆走并卖掉,很多材料被回收。但是,越来越受欢迎的轻质碳纤维复合材料则特别难以回收,一般都当成垃圾。

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碳纤维增强塑料复合材料最初被用于航空航天、汽车比赛及高端体育用品领域,目前这种材料正逐渐应用到许多新的制造领域中,对这些新领域而言产品具有良好的性能、高的强度和轻的重量是非常重要的。近几十年来随着价格的回落和技术的成熟,碳纤维已广泛用于商务飞机和民用飞机、娱乐、工业以及其他领域中。碳纤维复合材料使飞机更坚实、更轻、更省油、更便宜,因此航空航天工业是碳纤维的最大消费市场,碳纤维使用量占总共使用量的21%。根据Lucintel公司的一份报告,过去5年中全球碳纤维市场一直以两位数字增长,报告还指出全球碳纤维市场将继续增长、但速度较慢,将从2008年的15亿美元增长到2014年的25亿美元。处理一个使用寿命结束的复合材料结构变得非常困难。虽然垃圾填埋场仍然是最便宜的选择,但大多数欧盟成员国2004年都颁布了法律,禁止复合材料的填埋处理。填埋处理不是好的选择是因为,碳热固性材料是非降解的,而且它们将引起健康和安全风险。

在过去的十年间,Steve Pickering博士为首的研究人员开了回收碳纤维复合材料的方法,他们从2006年起与波音合作。波音目前计划每年投资100美元与之进行战略性研究合作,涉及他们从事的所有活动。

12月5日,全球回收碳纤维技术的领导者——英国ELG碳纤维公司与美国波音公司宣布,双方已经签署了一项为期五年的合作协议,根据该协议波音公司将向ELG提供ELG固化和未固化废碳纤维复合材料,这些废复合材料将由ELG转化成再生碳纤维产品,用于其他复合材料产品的制造应用。该协议意义重大,它标志着主要飞机OEM和碳纤维回收商之间的第一次正式材料供应关系。

欧盟成员国2003年11月通过的废弃车辆指令要求,2015年1月之后生产的每辆汽车的95%必须被再利用或回收。同时处理碳纤维复合材料也不经济实惠。为带来更好的经济效益,它们应该被回收。碳纤维回收是由金融状况驱动的,是由政府研究奖励因素驱动的,也是由制造商渴望拥有绿色制造工艺和产品的愿望驱动的。一些回收碳纤维的商业可行办法,如高温分解法、微波辐射法及流化床法,可以进行碳纤维回收,但是这些方法会导致纤维长度变短,纤维降级,最终导致纤维性能的降低。英国诺丁汉大学的一个研究小组已经研发出一种回收碳纤维的方法,这种方法将保留几乎100%的纤维性能。一种经济实惠的溶剂体系已经被开发出来,用来溶解复合材料中的环氧树脂,从而分离出单一形式的碳纤维,而不破坏它们的长度。该研究小组利用了超临界流体的溶解能力,这些超临界流体为一类在其他行业已被证明有效的溶剂。

波音英国总裁Roger Bone在英国诺丁汉大学启动了这项新的合作投资。

固化和未固化的碳纤维废料将来自11个波音复合材料制造业务点,包括位于埃弗雷特的777X复合材料翼中心、位于美国南卡罗来纳州查尔斯顿市的波音南卡罗来纳州、以及涉及制造商用飞机、旋翼机和其他产品。该协议还包括来自波音在澳大利亚墨尔本复合材料制造业务的碳纤维复合材料边角废料。

他们研究了超临界水,二氧化碳还有一些有机溶剂包括乙醇、甲醇和丙酮,最后选用了丙醇——一种可支付的起的短链醇,这种醇处在正常状态就很适合用于溶解树脂。选用醇是非常好的,因为他们只需要适度的压力就可以进入超临界状态,尽管需要温度较高,为200-450℃。与水相比这种醇更便于他们使用,水需要22.1兆帕的压力和374℃的高温来达到临界点。另外乙醇和甲醇在溶解玻璃纤维复合材料中的聚酯树脂时很有效,但不能很好的溶解环氧树脂,丙醇却可以顺利地分解环氧树脂。试验结果表明,回收的碳纤维具有很高的强度和刚度,是原始强度和刚度的99%。目前为止这些实验只是在实验室内进行操作,更多的研究努力需要投入,从而使这一过程商业化。碳纤维回收具有三重环境效益:阻止了碳纤维使用一次后就被填埋的浪费;同时,使用回收碳纤维制作的部件也是可回收的,因为碳可以保留原始性能中重要的一部分,即便是在二次利用后也是如此;此外,回收过程本身就已经大大减少了能源消耗。

Bone表示:“波音希望从制造过程中回收复合材料,以提升产品的可持续性,并开发更有效的方法从回收退役飞机的复合材料。最终的目标是将回收的材料重新用于制造过程,例如飞机的非承力结构内饰,或者制造工装中。这项工作奖帮助我们在波音产品周期中形成环保的解决方案。”

波音公司说,作为从2017年3月开始的一个试点项目的一部分,每年向ELG发送100万磅的废料数量将随着波音公司多个制造地的全面参与而增加。这次合作将有助于实现波音公司到2025年将固体废物填埋量减少20%的目标,将波音公司保护环境的承诺提升到了一个全新的水平。

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该协议意义重大,因为它标志着主要飞机OEM和碳纤维回收商之间的第一次正式材料供应关系。ELG的总经理Frazer Barnes说,他的公司已经与波音公司合作了四年,以评估和鉴定波音公司碳纤维废料来源的材料的性能。“我们已经用各种聚合物和工艺评估了机械性能——拉伸、压缩、弯曲、剪切,”他说。“然后我们开始研究耐用性方面——纤维/树脂界面强度、疲劳、流体暴露等,其中疲劳和暴露工作集中在环氧层压板上。”

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