نوشتار حاضر، گزارش نهایی یک پروژه تحقیقاتی در زمینه بازیافت مواد کامپوزیتی است. هدف کلی این برنامه پژوهشی، افزایش کاربرد کامپوزیت های پلیمری گرما سخت، از طریق توسعه فن آوری بازیافت مواد دور ریز بوده است. برای انجام این پروژه دو روش به کار گرفته شد:
- روش کار در دانشگاه برونل به کار گیری مجدد کامپوزیت های گرما سخت خرد شده به عنوان پر کننده درپلیمرها و فن آوری مربوطه بود. یک فن آوری با فرآیندهایی که به تولید محصولاتی با ارزش افزوده بالا منجر می شود. این فرآیندها به ویژه برای بازیافت قراضه های تقریبا تمیز و غیر آلوده کامپوزیتی مناسب هستند.
- در دانشگاه ناتینگهام کار بر روش های حرارتی بستر سیال متمرکز شده بود که انرژی و الیاف را به شکلی مناسب برای تهیه محصولات با ارزش بازیافت می کنند. این فرآیند برای قراضه های آلوده و مخلوط با سایر مواد، حاصل از قطعات صنایعی همچون صنعت خودرو مناسب است.
- این گزارش نتایج کارهای انجام شده در دانشگاه ناتینگهام را بیشتر مورد بررسی قرار می دهد. در این دانشگاه یک فرآیند بستر سیال به کار گرفته شد. فرآیندی که بای بازیافت ماده تقویت کننده و انرژی از طریق سوزاندن زمینه پلیمری مواد کامپوزیتی مناسب است. سپس الیاف بازیافتی مشخصه سازی شده و کاربرد آنها درجاهایی که ارزش افزوده بالایی دارند نشان داده شده است.
- هدف اصلی این مطالعه، کامپوزیت های گرما سختی بود که درحجم بالا به کارگرفته می شوند. کامپوزیت هایی با زمینه پلی استر، و فنلیک که با الیاف شیشه تقویت شده و با مواد معدنی پر شده اند. کامپوزیت های الیاف کربن نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند.

فرآیند بستر سیال
به کارگیری بستر سیال برای بازیافت الیاف و شیشه و انرژی از مواد کامپوزیتی، بر مبنای یک کار قبلی در دانشگاه ناتینگهام انجام شد که درآن فرآیندهای گوناگون احتراق به عنوان روش بازیابی انرژی از کامپوزیتها مورد مطالعه قرار گرفته بودند. زمینه پلیمری کامپوزیت هنگام ورود به بستر سیال دما بالا تجزیه شده و این امر منجر به آزاد شدن الیاف و پرکننده و خروج آنها از بستر به وسیله جریان گاز می شود. یک بستر سیال دراندازه های آزمایشگاهی و به قطر 315 میلی متر ساخته شده و هوای سیال ساز به صورت الکتریکی پیش گرم شد تا بستر در دمایی بیش از 750 درجه سانتی گراد کار کند. الیاف و پرکننده ها پس از ترک بستر سیال به وسیله چرخانه از جریان گاز جدا شدند.
پژوهشهای نخستین روی یک نمونه صنعتی پایه پلی استری انجام شد که به روش قالب گیری ورقه ای ساخته شده بود. نتایج نشان دادند که استحکام الیاف شیشه در طول فرایند با افزایش دما کاهش می یابد. با این وجود حداقل دمایی برای تجزیه پلیمر و آزاد شدن الیاف مورد نیاز بود. به این ترتیب دمای بهینه فرایند تعیین شد.

در دمای 450 درجه سانتی گراد، سوختن کامل نمی شد و به محفظه ای برای احتراق ثانویه نیاز بود که در آن، گازهای بستر سیال، پس از جدا شدن از الیاف و پرکننده ها بسوزند. پس از این محفظه، یک مبدل گرمایی قرارداده شد که در آن از سوزاندن پلیمر انرژی به دست آید.

بهینه سازی دستگاه بازیافت الیاف
سیستم جریان گردبادی الیاف و پرکننده نصب شده، نمی توانست الیاف را به طور کامل از پرکننده جدا کند و برای دستیابی به الیافی با کیفیت بالاتر، به سیستم جداساز بهتری نیاز بود. به همین علت، یک توری چرخان روی مجرای بستر سیال نصب شد. با عبور گازهای خروجی بستر سیال از توری، الیاف در سوراخ های توری گیر می کنند.
با چرخش توری، الیاف از جریان گاز خروجی جدا شده و داخل یک جریان هوای مخالف قرار می گیرند که الیاف را از توری گذرانده و وارد مجرای جمع کننده می کند. ذرات پرکننده روی شبکه توری جمع نمی شوند. این توری چرخان قادراست الیاف شیشه را با خلوص 80 در صد جمع آوری کند.

آماده سازی مواد برای بازیافت
قراضه های کامپوزیتی از داخل یک قیف و به وسیله یک ماردون به درون بستر سیال تغذیه می شوند. موثرترین روش آماده سازی، به کار گیری آسیاب چکشی برای خرد کردن ضایعات است، تا حدی که از یک توری با شبکه های 5 تا 10 میلی متری عبور کنند. نتایج نشان دادند که با کوچک تر شدن ابعاد مواد ورودی، روند فرایند بستر سیال سریع تر می شود و مواد باقی مانده درکف بستر در هر مرحله، کاهش می یابد. با این وجود درچنین شرایطی متوسط طول الیاف بازیافتی کوتاه تر است. علاوه بر قطعات SMC ، دیگر ضایعات کامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه نیز از روش بستر سیال بازیافت شدند، از جمله قطعه ای از وینیل استر/ شیشه با پرکننده سیلیس. هر دوی این کامپوزیت ها با روشی مشابه به روش ذکرشده برای قطعات SMC فرآوری شدند، اگر چه تجزیه رزین وینیل اسر بسیار کند تر از پلی استر انجام شد. یک صفحه فنلیک/ شیشه نیز بازیافت شد. رزین فنلیک زمان بیشتری برای تجزیه نیاز داشت و قطعات باقی مانده از الیاف شیشه با سختی به رشته های جداگانه تبدیل می شدند.

بازیافت قطعات خودرو
هدف اصلی این پروژه، نمایش امکان بازیافت قطعات کامپوزیتی کهنه و اسقاطی از طریق بستر سیال بود، به ویژه ضایعات صنعت خودرو که در صورت ورود کامپوزیت به صنعت خودرو حجم زیادی خواهند داشت. این ضایعات اغلب به مواد دیگر چسبیده اند و قطعه انتخاب شده برای این آزمایش نیز درصندوق عقب یک خودرو- سازه ای ساندویچی متشکل از دو لایه پلی استر تقویت شده با شیشه و یک مغزی از فوم پلی اورتان – بود. این قطعه رنگ شده بود و تعدادی قطعه فلزی داخل آن قرار داشت. این قطع ابتدا با برش و سپس آسیاب چکشی به قطعاتی کوچک تر از 10 میلی متر خرد شد. سپس تمام محصولات آسیاب شده به درون بستر سیال تغذیه شد و دردمای 450 درجه سانتی گراد فراری شد. خلوص محصول به دست آمده 80 درصد بود. پس از آزمایش مقدار کمی زغال (ناشی از فوم پلی اورتان) و تعدادی قطعه فلزی در بستر سیال باقی مانده بود.

بازیافت کامپوزیت های الیاف کربن
چندین آزمایش نیز برای تحقیق در زمینه فرایند بازیافت الیاف کربن ازمواد کامپوزیتی انجام شد. ماده مورد آزمایش، قطعه ای اپوکسی- الیاف کربن بود که به روش پیچش الیاف ساخته شده و با آسیاب چکشی به قطعاتی کوچک تر از 10 میلی متر رد شده بود. آزمایش های بستر سیال تا دمای 5 درجه سانتی گراد انجام شدند و نتایج نشان دادند که تا این دما، اپوکسی از الیاف جدا شد ولی اکسیداسیون زیادی در سطح رخ نداد. الیاف کربن بازیافتی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی شدند. این الیاف در شرایط مناسب قرار داشتند.

مشخصه سازی الیاف شیشه بازیافتی
الیاف شیشه بازیافتی به شکل تک رشته های کوتاه بودند. استحکام کششی، مدول یانگ و توزیع طول آنها مورد بررسی قرار گرفت. مدول این الیاف تغییری نداشت ولی کاهش محسوس در استحکام آنها مشاهده شد که دلیل آن دمای بالای بستر سیال بود. استحکام الیاف بازیافتی در دمای 450 درجه سانتی گراد، نصف استحکام الیاف شیشه اولیه بود. این کاهش استحکام در مقالات نیز گزارش شده است. آزمایش های کنترل شده در کوره آزمایشگاهی ، نشان دادند که این اثر به علت افزایش دمای فرایند است و به نظر میرسد کار مکانیکی در بستر سیال ، تاثیر محسوسی بر استحکام ندارد.
اندازه گیری توزیع طول الیاف بازیافتی بسیار دشوار بود. پس از چندین مرحل تحقیق و بررسی، روش پردازش تصویری با به کار گیری چندین نرم افزار دقیق مورد استفاده قرار گرفت. به این ترتیب میانگین طول الیاف بازیافتی 5-3 میلی متر گزارش شد.
بررسی تصویرهای میکروسکوپی الیاف نیز نشان دهنده کیفیت خوب الیاف و آلودگی سطحی بسیار کم بود. به این ترتیب فرایند بستر سیال روشی مناسب برای جداکردن الیاف از زمینه های پلیمری است.

به کار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی
الیاف شیشه بازیافت شده تک رشته های کوتاهی بودند که سفتی آنها برابر سفتی الیاف شیشه اولیه اما استحکام آنها کم تر بود. بر پایه شکل و اندازه آنها، امکان به کار گیری این الیاف درکاربردهای مورد بررسی قرار گرفت که استحکام الیاف درآنها به اندازه سفتی مهم نبود. دو کاربرد با جزئیاتی که درپی خواهد آمد مورد بررسی قرار گرفتند. در هر دوی این کاربردها الیاف بازیافتی مستقیما به جای الیاف نو به کار گرفته شدند. بنابر این می توان گفت الیاف بازیافتی این توان بالقوه را دارند که به صورت موادی ارزشمند مورد توجه قرار گیرند.

1. تهیه پارچه سوزنی
پارچه سوزنی الیاف شیشه کربرد های بسیاری ، در صنعت کامپوزیت و چه در دیگر صنایع دارد. این نوع پارچه ها به روش های گوناگون تهیه می شوند و متداول ترین روش، فرایندی تر مشابه روش شبیه به صورت تک رشته هایی درون یک مایع پراکنده شده و سپس روی یک پارچه توری یا الک خوابانده می شود تا بافت مورد نظر به دست آید. از آنجائی که در بسیاری از کاربردها استحکام پارچه ویژگی زیاد مهمی نیست، این فرایند، فرایندی ایده آل به ویژه برای به کارگیری دوباره الیاف شیشه بازیافتی است.

پارچه های تهیه شده با نسبت های گوناگون الیاف بازیافتی، از روش های متفاوتی ارزیابی شدند. به عنوان مثال مناسب بودن بافت سطحی این پارچه ها برای فراهم کردن سطح پرداخت نهایی خوب هم در آزمایشگاه (اندازه گیری زبری سطح) و هم بصورت صنعتی (به کار گیری به عنوان پوشش یک یا چند لایی) آزمایش شد و در هر دو آزمایش ، پارچه نو عمل کرد. آزمایش های محیطی نیز به این صورت انجام شد که پارچه به عنوان بافت پوششی یک یا چند لایه به کار گرفته شد و سپس قطعه درمعرض محیط فرساینده مناسبی قرار گرفت و مجددا مشاهده شد که کارایی پارچه تهیه شده از الیاف بازیافتی، تفاوتی با پارچه های نو نداشت. استحکام پارچه سوزنی بازیافتی، به علت کاهش استحکام تک تک الیاف، عمدتا کم تر از پارچه سوزنی نو بود، اگر چه طول کوتاه تر الیاف نیز تاثیر گذار بود.

2. قالب گیری ترکیبات گرما سخت
ساخت ترکیبات گرم سخت به روش قالب گیری نیز فرصت مناسبی برای به کار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی است. این مواد معمولا رکاربردهای نیازمند استحکام زیاد به کارگرفته نمی شوند و فرایند ترکیب سازی آنها با کمی اصلاح، می تواند برای الیاف بازیافتی تغییر داده شود. آزمایش های انجام شده روی یک ترکیب قالب گیری خمیری (DMC) درآزمایشگاه نشان دادند که جایگزینی الیاف شیشه بازیافتی به جای الیاف معمولی تا 50 درصد تاثیر قابل ملاحظه ای بر ویژگی های مکانیکی ماده-استحکام کششی، مدول و استحکام ضربه ندارد.
به دنبال این آزمایش ها، یک قطعه آزمایشی توسط یکی از شرکتهای همکار در پروژه ساخته و به کار گرفته شد. برای ساخت این قطعه با کاربرد الکتریکی، 17 کیلوگرم ترکیب خمیری شکل تهیه شد که در آن 50 در صد الیاف شیشه با الیاف بازیافتی جایگزین شده بود. فرایند ترکیب سازی وعملیات قالب گیری تحت تاثیر این جایگزینی قرار نرگفت و ترکیب تولید شده از نظر ظاهری تفاوتی با سایر ترکیبات نداشت. ویژگی های مکانیکی و الکتریکی قطعه DMC تولید شده با الیاف بازیافتی درمحدوده قابل قبولی قرار داشت.

تحلیل اقتصادی
به منظور ارزیابی چشم انداز احتمالی توسعه بیشتر فرایند بستر سیال و تعیین حوزه هایی که اصلاح آنها می تواند به بیشتر عملی شد این فرایند منجر شود، یک برآورد اقتصادی ازاین فرایند انجام شد. برای انجام این تحلیل ابتدا یک کارخانه بازیافت د رمقیاس واقعی طراحی شده و تجهیزات مورد نیاز ، اندازه تجهیزات و شرایط کار آنها (دما، فشار، سرعت، جریان سیال و...) مشخص شد.
نتایج نشان دادند که برای سر به سر شدن هزینه های این کارخانه، توان بازیافت آن باید 10000 تن در سال باشد. برای این که کارخانه پس از 10 سال، سالانه 3 درصد سود داشته باشد، توان بازیافت آن باید 15000 تن در سال باشد.
تغییر و بهبود فرایند بستر سیال ممکن است به افزایش توان تولید و عملی تر شدن چنین طرح هایی منجر شود. تحلیل هزینه های مشابهی برای کارخانه بازیافت الیاف کربن شیشه ارزش بیشتری دارد، تاسیس چنین کارخانه ای با توان تولید چند صد تن الیاف در سال امکان پذیر خواهد بود.

منبع : فصل نامه كامپوزيت


www.smsm.ir

نوع مطلب : مهندسی مواد - سرامیک
نوشته شده در یکشنبه ۲۶ دی ۱۳۸۹ توسط SMSM |           |