碳纤维增强塑料(CFRPs)的回收不仅可以从环境和经济角度来看,它也可能是增加这些轻质但是昂贵的材料在买方市场(如汽车)中高度流通的关键。
ELG碳纤维(ELG-GF)一直在该领域进行开创性的工作,因此,当该公司今年六月打开其在英国Coseley的市场时,工程材料的研究就开始进一步深入。
目前,制造业每年产生大约2.4万吨的废弃碳纤维,而ELG-GF的董事长兼总经理Frazer Barnes认为随着该行业的扩展,到了2021年将达到3.2万吨。
回收碳纤维,特别是那些浸渍树脂,是一个重大的挑战。大多数碳纤维是使用热固性基质,如环氧树脂,当被加工处理后不能再被融化或者改造。
但是Barnes并不认为这是一个问题,他表示:再生碳纤维的成本通常比纯天然纤维低40%,通过该方法可以达到同样的重量节省。
尤其同样重要的是,特别是对于汽车制造商来说,使用再生碳纤维对环境的影响是减少的。Barnes说,再生纤维只占生产原始纤维10%的能源,这一节省是十分重要的。根据生命周期分析,车辆可能需要行驶15万5千公里,才能通过使用碳纤维来节省燃料,从而使其生产所需的能源相形见绌。在同样的使用情景中使用回收碳纤维,可以使这个平衡的临界点降低到15k公里以内。
ELG-CF成立于2003年,在本质上是一个研究与开发和实验热解碳纤维布回收的公司。这个概念被证实,为了推动商业化进程,2008年成立了再生纤维。在2011年,再生纤维成为ELG-CF,同年德国杜伊斯堡成立了金属回收商ELG Haniel寻找一个契机——买下该公司。
ELG-CF与多家公司签订合同,为其提供其所需的废料一直到2022年。如果ELG-CF要卖给汽车原始设备供应商(OEM),那么这个原料就是必不可少的。公司收到制造废物和报废部件,前者占大多数。
ELG-CF回收过程的第一阶段是去除任何可能对过程造成破坏的材料,例如金属。从已知的来源制造废料通常可以直接进入熔炉;如果对废物的理解不充分,试验可能是必要的。
寿命结束后必须首先大规模的使用能够处理厚度维55mm的固化层压板的Vecoplan机器。Barnes说,他花费了12~18个月测试最佳处理材料的实验参数。
他说这一过程的关键是确保复合材料分层,使其表面积增加,这有助于随后的热解。所合成的层压板是羽毛状的外观。
热解过程中,CFRP废料(以干纤维、固化和未浸渍料和层压板的形式)在没有氧气的环境中烘烤,材料加热到400~650℃。在处理过程中,热固性树脂排放的有害气体,按照环境准则与纤维分开被抽走并且焚烧。该炉正在不断改进,以提高其效率、降低成本,并且确保ELG-CF履行其环保责任。
这一过程产生一种坚韧的、研磨后呈现棉花状的碳纤维绒毛,它保持了90~95%的原始机械性能。经过几年的产品开发,ELG-CF已经成功的将这些材料转化为几种有用的形式。Barnes说:“使这个过程工业化花费了很长的时间,因为蓬松的碳纤维是一种很难处理的材料。”
ELG碳纤维的主要产品用于汽车应用包括:Carbiso CT,一种用于注射和层压成型化合物的短纤维产品;无纺布垫,可构成结构板成型化合物(SMCs)和快速固化的预压垫的基础;Carbiso TM,非织造垫,由可再生的碳纤维制成,与热塑性纤维混合而成,可压缩成型形成结构模型。
这些产品不是对原始碳纤维的替代品。事实上,Barnes最大的挑战是为它们创造一个市场。他说:“我们正在努力为一种新材料创造一个市场,我们正在使我们自己变得困难,因为我们正在寻找那些在汽车等领域的碳纤维的新应用。”
这项工作似乎得到了回报。这些材料正在被用于Gordon Murray设计的碳底盘上面,这是雅马哈动机的基础,e城汽车和新的TVR将在本月在Goodwood的复兴中推出。明亮的精简结构是使用ELG-CF的非织造布,制造Xenos E10跑车的碳纤维底盘。
也许最重要的是,ELG-CF已经与一个主要的OEM的车辆厂商签订了第一个生产合同,合同将在2017年底生效。该公司还与多家OEM厂商进行了寿命回收实验。ELG-CF目前正在寻求在美国和德国扩展业务。