16 نوامبر 2023 – توسط دانشگاه دوشیشا
به لطف وزن سبک و در عین حال استحکام قابل توجه آنها، استفاده از CFRP در صنایع خودروسازی، هوافضا و انرژی های تجدیدپذیر در حال افزایش است. با این حال، این بدان معناست که یافتن راه‌های موثر برای بازیافت زباله‌های تولید شده توسط CFRP برای تضمین پایداری در دراز مدت ضروری است. اعتبار: LunchboxLarry در Openverse
به حداقل رساندن مصرف انرژی یک عنصر اساسی در سفر ما به سوی جوامع پایدار است و مواد پیشرفته نقش کلیدی در این زمینه دارند. پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRPs) و ترموپلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRTPs) دو نمونه برجسته از مواد کامپوزیتی هستند که می توانند به طور قابل توجهی بهره وری انرژی را در زمینه های مختلف کاربردی بهبود بخشند.
این کامپوزیت ها از الیاف کربن تعبیه شده در یک ماتریس پلیمری مانند رزین اپوکسی ساخته شده اند. CFRP و CFRTP به دلیل وزن کم و استحکام مکانیکی قابل توجه خود می توانند مصرف سوخت هواپیماها، فضاپیماها و خودروها را تا حد زیادی کاهش دهند. علاوه بر این، آنها بادوام و مقاوم در برابر خوردگی هستند و برای کاربردهای انرژی تجدیدپذیر مانند توربین‌های بادی مناسب هستند.
در سال های اخیر، تقاضا برای CFRP و CFRTP به شدت افزایش یافته است. با این حال، این بدان معناست که میزان ضایعات CFRP/CFRTP نیز به سرعت در حال افزایش است. از آنجایی که تولید الیاف کربن بسیار انرژی بر است، محققان به دنبال راه های مقرون به صرفه اقتصادی برای بازیابی آنها از ضایعات CFRP/CFRTP از طریق فرآیندی به نام “بازیابی” بوده اند.
تا کنون، تکنیک تجزیه حرارتی (تجزیه حرارتی) موثرترین به نظر می رسد، اما حفظ خواص مکانیکی الیاف بازیافتی چالش برانگیز است.
در مقابل این پس‌زمینه، محققان دانشگاه دوشیشا، ژاپن، به دنبال بررسی مزایای انجام تجزیه در اثر حرارت CFRPs/CFRTPs در اتمسفر بخار فوق‌گرم (SHS) بر خلاف اتمسفر استاندارد بودند.
در مقاله‌ای که اخیراً در Composites Part A: Applied Science and Manufacturing منتشر شده است، دانشیار Kiyotaka Obunai و پروفسور Kazuya Okubo یافته‌های خود را برای روشن کردن این رویکرد نوآورانه نشان می‌دهند.
منطق پشت انجام تجزیه در اثر حرارت در جو SHS نسبتاً ساده است. دکتر اوبونای توضیح می دهد، SHS نه تنها با ایجاد یک محیط کم اکسیژن از اکسید شدن الیاف کربن جلوگیری می کند، بلکه باقی مانده های پلیمری را از سطح الیاف بازیافت شده نیز حذف می کند.”
محققان نه تنها ویژگی های مکانیکی الیاف کربن بازیافتی را آزمایش کردند، بلکه عملکرد کامپوزیت های CFRP واقعی ساخته شده با استفاده از این الیاف را نیز ارزیابی کردند. برای این منظور، آزمایش‌های مقاومت خمشی و آزمون‌های مقاومت ضربه‌ای Izod را انجام دادند که به ترتیب توانایی مواد را برای مقاومت در برابر بارهای وارده با خمش و ارزیابی مقاومت آنها در برابر ضربات ناگهانی ارزیابی می‌کنند.
نتایج آزمایشات آنها چندین جنبه جذاب احیای پیرولیز در SHS را نشان داد. ابتدا، با استفاده از تکنیک‌های میکروسکوپی پیشرفته، محققان دریافتند که جو SHS شکل‌گیری نقص‌های گودی مانند به نام «حفره‌زدگی» را در الیاف بازیابی شده سرکوب می‌کند و سطح صافی پیدا می‌کند. علاوه بر این، هنگامی که تجزیه در اثر حرارت در دماهای بالا (≥ 873 K) انجام شد، الیاف بازیابی شده در اتمسفر هوا، مقاومت کششی و چقرمگی شکست را در مقایسه با الیاف “بکر” کاهش دادند.
در مقابل، این خواص مکانیکی در الیاف بازیابی شده در اتمسفر SHS نسبتاً یکسان باقی ماند و مزیت جو SHS را در حفظ چقرمگی شکست و استحکام کششی الیاف بازیابی شده برجسته کرد.
علاوه بر این، الیاف بازیابی شده در اتمسفر SHS نیز تغییرات کمتری را در خواص مکانیکی از خود نشان دادند و عملکرد آنها را سازگارتر و برای کاربردهای عملی مناسب‌تر کرد. علاوه بر این، اتمسفر SHS در طول پیرولیز، تخریب در استحکام خمشی و استحکام ضربه ایزد را کاهش داد و آنها را شبیه به کامپوزیت های ساخته شده با الیاف بکر کرد.
روی هم رفته، این یافته‌ها پتانسیل احیای پیرولیز در اتمسفر SHS را برای بازیابی الیاف کربن از کامپوزیت‌ها برجسته می‌کنند. با ارائه یک روش موثر برای بازیافت، این رویکرد ممکن است کلید معرفی موفقیت آمیز CFRPs/CFRTPs در یک اقتصاد دایره ای باشد.
دکتر اوبونای نتیجه گیری می کند: «این کار به طور بالقوه یک روش موثر برای احیای زباله CFRP ارائه می دهد و به امکان سنجی دستیابی به اهداف توسعه پایدار کمک می کند. ضایعات CFRP باید در کارهای آینده مورد بررسی قرار گیرد.”
تحقیقات بیشتر امیدوار است موقعیت CFRPs/CFRTP ها را به عنوان مواد با انرژی کارآمد و پایدار برای کاربردهای مختلف تثبیت کند و به آینده ای سبزتر منجر شود.
