Утилизация и переработка карбона: методы и польза

Высокие эксплуатационные характеристики карбона обеспечили и продолжают обеспечивать ему всё бόльшую популярность почти во всех сферах производства. В последнее время многих заказчиков не пугает даже его стоимость. Хотя всё равно постоянно ведется поиск технологий, направленных на устранение недостатков углепластика и на удешевление конечного продукта. А с тех пор, как человек впервые обратил внимание на то, что своей деятельностью он так быстро захламляет Землю, что скоро не останется жизненного пространства, он стал параллельно решать еще и проблемы утилизации и/или переработки — в чем и карбон тоже, конечно же, не стал исключением.

Для справки следует уточнить, что под отходами подразумеваются не только готовые изделия, достигшие окончания своего срока службы, но и отходы самогό производства: концы рулонов, обрезки листов, ленты UD, а также нетканые материалы с содержанием (или без) эпоксидных, фенольных и прочих смол. Такое разнообразие остатков всё чаще скапливается в довольно критичную массу, поэтому при возрастании массового производства изделий из карбона (да и прочих композитов) всё больше популярности приобретает идея создания производства замкнутого цикла, при котором количество отходов минимизировалось бы. При этом постоянно изобретаются еще и новые технологии рационального рециклинга, поскольку такие программы являются наиболее актуальными из-за существующих очень жестких мер по охране окружающей среды, которая не всегда безболезненно переносит утилизацию того или иного материала. Тем более что утилизация может быть связана также с высокими затратами энергии.

Современные методы переработки композитных материалов

На самом деле простая переработка или привычная утилизация для углепластика не подходит. И даже если обладать огромными площадями для организации полигонов хранения отходов карбона, это не решит проблему: во-первых, это не является экономически выгодным, а во-вторых, современные композиты очень мало подвержены разрушению естественными факторами окружающей среды. Даже от воздействия УФ-излучения их уже научились неплохо защищать. Таким образом, отработавшие свое изделия из карбона будут разлагаться крайне медленно и не без риска загрязнения окружающей среды.

Что же тут можно сделать? Нужно попросту применять специальные методы утилизации, разработанные именно под композитные материалы. Кстати, методы эти применяются не только для углепластика как такового, но и для других популярных композитов: базальтовое и стекловолокно. Рассмотрим эти варианты утилизации и переработки подробнее.

Метод физической переработки карбона

Способы физической переработки являются самыми лояльными к окружающей среде, поскольку композиты просто измельчаются до получения фракций разных размеров. Таким методом можно переработать любой композит и для этого не потребуется сложное оборудование, да и выбросов практически не будет. Исключение, правда, составляют композиты, армированные высокопрочными волокнами. Размельчить их сложнее и энергозатратнее, но тоже возможно.

Размер получаемых фракций зависит от дальнейшего использования полученного из них сырья. А используют продукт переработки главным образом в качестве наполнителя. Реже — в производстве во время формовки вместе с первичным сырьем.

Радиационные методы переработки

Этот метод использует высокоэнергетическое излучение, идея которого заключается в уничтожении полимерной матрицы. Волокна карбона при этом могут быть сохранены, причем их физико-механические свойства останутся прежними.

Химические методы рециклинга

Сегодня такие варианты получают всё бόльшую популярность в европейских странах по причине своей энергоэффективности. Интересны они тем, что при правильном выборе химического состава под конкретную комбинацию связующего и волокна в результате получают продукт, снова пригодный для дальнейшего использования, причем в больших количествах. При этом и ресурсы, и временны́е затраты не так велики, как при физических методах переработки.

Среди химических способов наиболее перспективными являются термокаталитические: сольволиз и окисление в псевдоожиженном слое.

• Сольволиз используется для переработки композитов на основе реактопластов. Прелесть метода в том, что в результате получают не только хорошо очищенное волокно, обладающее довольно приличными параметрами прочности, но также и продукты разложения связующего вещества, которые можно потом использовать для синтеза эпоксидов и далее применять в производстве эпоксидных смол.

• Процесс окисления композитов в псевдоожиженном слое осуществляется при подаче газа определенной температуры, который, проходя сквозь дисперсный наполнитель, поступает в камеру с подготовленным для утилизации композитом. В результате разрушается связь полимера с волокнами посредством его окисления. Далее окисленные частицы связующего полимера, красок, защитных покрытий и других компонентов удаляются из камеры потоком горячего газа. В камере же остается чистое волокно, снова пригодное для дальнейшего применения.

Термические методы рециклинга

Такие методы содержат три главных направления, которые отличаются разными условиями нахождения кислорода в камере. Но наиболее распространенным вариантом из этих трех является пиролиз, благодаря которому, помимо того что получается очищенное волокно, используется еще и выделяющаяся в процессе тепловая энергия, а также ряд подходящих для последующего использования элементов распада. При этом практически единственным требованием для этого метода является термоустойчивость армирующих волокон, поскольку пиролиз проходит при довольно высокой температуре (300–1500 ºС).

Применим данный вариант к утилизации углеволокна или к повторному его использованию, поскольку очищенные таким образом карбоновые волокна могут сохранять до 90 % своих механических свойств (правда, следует понимать, что срок их службы будет, всё же, более коротким по сравнению с оригинальным материалом). А получаемые таким образом углеродные волокна в измельченном виде вполне подходят для усиления прочностных характеристик бетона, малонагруженных видов термопластов или же в качестве армирующего элемента для других композитов, создаваемых на реактопластичной матрице.

Следует также заметить, что сжигание композитных материалов как метод утилизации проходит при содержании кислорода с превышением стехиометрического соотношения, то есть такого соотношения химических элементов в стехиометрических соединениях, при котором они присутствуют в строго определенных пропорциях. По этой причине его применяют только тогда, когда композитный материал невозможно утилизировать никаким другим, более безопасным, способом.

Однако последние исследования ученых показали высокую перспективу травления поверхности волокон, прошедших предварительную термическую обработку. Это помогает избежать последствий, связанных с высокими температурами и всё-таки полностью сохранить после сжигания армирующее волокно для последующего применения в производстве композитных материалов.

Газификация как метод утилизации

Данный метод заключается в том, что в условиях недостатка кислорода происходит разложение композитов и выделение большого количества газа, который является источником производства тепловой и электрической энергии. На практике это является единственным преимуществом (если только речь не идет о термоустойчивых волокнах), так как некоторые виды волокон при этом сохранить невозможно, как невозможно избежать и того, что газ будет просачиваться в атмосферу.

Переработка углепластика на низких температурах

Существует и еще один метод утилизации, который основан на использовании в качестве катализаторов мягких кислот в жидком этаноле: при относительно низкой температуре жидкость проникает вглубь реактопластов, разрушая их структуру.

Метод зарекомендовал себя как достаточно экологически безопасный и при этом сохраняющий не только волокна, но и полимеры в состоянии готовности повторного использования.

Применение переработанного углеродного волокна

Такое волокно можно использовать как основу для производства довольно большого ассортимента вещей.

• Например, в измельченном состоянии волокна могут выступать как наполнитель волокнистых матов. А если фракция измельченного волокна очень мелкая, его активно используют в конструктивных частях и предметах интерьера самолетов.

• Регенерированное волокно в молотом виде можно смешивать с полимерами и получать материалы с требуемыми характеристиками тепло- и электропроводности. Их применяют для создания защит компьютерных экранов либо других электронных приборов.

• Также переработанный карбон часто используется для производства пены для спасательного снаряжения, а также с его помощью научились увеличивать срок службы и защитные свойства красок, добавлять его в цемент или другие строительные материалы, когда это возможно.

• Еще он входит в состав антистатических токопроводящих рукавов и пакетов, которые обеспечивают хорошую проводимость независимо от внешних условий.

• В гранулированном виде переработанный углепластик используют в качестве добавки к стекловолоконным материалам, что усиливает их прочность.

• Удачным изобретением стала панель, состоящая из нетканого материала, полученного из молотого переработанного углеродного волокна. Из нее попробовали сделать небольшой столик для ноутбука — и, как оказалось позже, он защищает владельцев от излучения, идущего от скоростных процессоров, поглощая его до 90 %.

• Также молотый регенерированный углерод дал старт популярности ворс-печати, которая в полиграфии называется флокированием, или бархатным напылением. Мимо этого не смогли пройти дизайнеры, придумывая покрытия невероятной красоты. Хотя еще его используют в качестве элементов батарей и токопроводимого субстрата.

• Мир моды не остался в стороне: аксессуары из переработанного карбона или их элементы просто стремительно ворвались и надолго остались в фэшн-индустрии.

Что в итоге?

В заключении хочется отметить, что рынок переработанного карбона как в молотом, так и в рубленом виде каждый год дает стабильный прирост минимум на 10 %. И это не предел, поскольку рециклинг любых промышленных материалов — не просто дань моде, а одно из условий выживания человечества.

Поэтому, разрабатывая ныне методы утилизации карбоновых изделий, технологи сразу пытаются проработать все возможности рециклинга. Это уже привело к тому, что сегодня существуют технологии синтеза биосмол, которые можно использовать в производстве повторно.

И вообще сегодня перспективу утилизации и рециклинга углепластиков стремятся заложить еще на стадии разработки материалов и изделий с заданными механическими и химическими характеристиками.