جستجو در تالارهای گفتگو

نوشتار حاضر، گزارش نهایی یك پروژه تحقیقاتی در زمینه بازیافت مواد كامپوزیتی است. هدف كلی این برنامه پژوهشی ، افزایش كاربرد كامپوزیت های پلیمری گرما سخت، از طریق توسعه فن آوری بازیافت مواد دور ریز بوده است. برای انجام این پروژه دو روش به كار گرفته شد : - روش كار در دانشگاه برونل به كار گیری مجدد كامپوزیت های گرما سخت خرد شده به عنوان پر كننده درپلیمرها و فن آوری مروبطه بود. یك فن آوری با فرآیندهایی كه به تولید محصولاتی با ارزش افزوده بالا منجر می شود. این فرآیندها به ویژه برای بازیافت قراضه های تقریبا تمیز و غیر آلوده كامپوزیتی مناسب هستند. - در دانشگاه ناتینگهام كار بر روش های حرارتی بستر سیال متمركز شده بود كه انرژی و الیاف را به شكلی مناسب برای تهیه محصولات با ارزش بازیافت می كنند. این فرآیند برای قراضه های آلوده و مخلوط با سایر مواد، حاصل از قطعات صنایعی همچون صنعت خودرو مناسب است. - این گزارش نتایج كارهای انجام شده در دانشگاه ناتینگهام را بیشتر مورد بررسی قرار می دهد. در این دانشگاه یك فرآیند بستر سیال به كار گرفته شد. فرآیندی كه بای بازیافت ماده تقویت كننده و انرژی از طریق سوزاندن زمینه پلیمری مواد كامپوزیتی مناسب است. سپس الیاف بازیافتی مشخصه سازی شده و كاربرد آنها درجاهایی كه ارزش افزوده بالایی دارند نشان داده شده است. - هدف اصلی این مطالعه، كامپوزیت های گرما سختی بود كه درحجم بالا به كارگرفته می شوند. كامپوزیت هایی با زمینه پلی استر، و فنلیك كه با الیاف شیشه تقویت شده و با مواد معدنی پر شده اند. كامپوزیت های الیاف كربن نیز مورد مطالعه قرار گرفته اند. فرآیند بستر سیال به كارگیری بستر سیال برای بازیافت الیاف و شیشه و انرژی از مواد كامپوزیتی، بر مبنای یك كار قبلی در دانشگاه ناتینگهام انجام شد كه درآن فرآیندهای گوناگون احتراق به عنوان روش بازیابی انرژی از كامپوزیتها مورد مطالعه قرار گرفته بودند. زمینه پلیمری كامپوزیت هنگام ورود به بستر سیال دما بالا تجزیه شده و این امر منجر به آزاد شدن الیاف و پركننده و خروج آنها از بستر به وسیله جریان گاز می شود. یك بستر سیال دراندازه های آزمایشگاهی و به قطر 315 میلی متر ساخته شده و هوای سیال ساز به صورت الكتریكی پیش گرم شد تا بستر در دمایی بیش از 750 درجه سانتی گراد كار كند. الیاف و پركننده ها پس از ترك بستر سیال به وسیله چرخانه از جریان گاز جدا شدند. پژوهشهای نخستین روی یك نمونه صنعتی پایه پلی استری انجام شد كه به روش قالب گیری ورقه ای ساخته شده بود. نتایج نشان دادند كه استحكام الیاف شیشه در طول فرایند با افزایش دما كاهش 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 كامل نمی شد و به محفظه ای برای احتراق ثانویه نیاز بود كه در آن، گازهای بستر سیال، پس از جدا شدن از الیاف و پركننده ها بسوزند. پس از این محفظه، یك مبدل گرمایی قرارداده شد كه در آن از سوزاندن پلیمر انرژی به دست آید. بهینه سازی دستگاه بازیافت الیاف سیستم جریان گردبادی الیاف و پركننده نصب شده، نمی توانست الیاف را به طور كامل از پركننده جدا كند و برای دستیابی به الیافی با كیفیت بالاتر، به سیستم جداساز بهتری نیاز بود. به همین علت، یك توری چرخان روی مجرای بستر سیال نصب شد. با عبور گازهای خروجی بستر سیال از توری، الیاف در سوراخ های توری گیر می كنند. با چرخش توری، الیاف از جریان گاز خروجی جدا شده و داخل یك جریان هوای مخالف قرار می گیرند كه الیاف را از توری گذرانده و وارد مجرای جمع كننده می كند. ذرات پركننده روی شبكه توری جمع نمی شوند. این توری چرخان قادراست الیاف شیشه را با خلوص 80 در صد جمع آوری كند. آماده سازی مواد برای بازیافت قراضه های كامپوزیتی از داخل یك قیف و به وسیله یك ماردون به درون بستر سیال تغذیه می شوند. موثرترین روش آماده سازی، به كار گیری آسیاب چكشی برای خرد كردن ضایعات است، تا حدی كه از یك توری با شبكه های 5 تا 10 میلی متری عبور كنند. نتایج نشان دادند كه با كوچك تر شدن ابعاد مواد ورودی، روند فرایند بستر سیال سریع تر می شود و مواد باقی مانده دركف بستر در هر مرحله، كاهش می یابد. با این وجود درچنین شرایطی متوسط طول الیاف بازیافتی كوتاه تر است. علاوه بر قطعات SMC ، دیگر ضایعات كامپوزیتی تقویت شده با الیاف شیشه نیز از روش بستر سیال بازیافت شدند، از جمله قطعه ای از وینیل استر/ شیشه با پركننده سیلیس. هر دوی این كامپوزیت ها با روشی مشابه به روش ذكرشده برای قطعات SMC فرآوری شدند، اگر چه تجزیه رزین وینیل اسر بسیار كند تر از پلی استر انجام شد. یك صفحه فنلیك/ شیشه نیز بازیافت شد. رزین فنلیك 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 امكان بازیافت قطعات كامپوزیتی كهنه و اسقاطی از طریق بستر سیال بود، به ویژه ضایعات صنعت خودرو كه در صورت ورود كامپوزیت 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 یك خودرو- سازه ای ساندویچی متشكل از دو لایه پلی استر تقویت شده با شیشه و یك 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 چكشی به قطعاتی كوچك 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 كمی زغال (ناشی از فوم پلی اورتان) و تعدادی قطعه فلزی در بستر سیال باقی مانده بود. بازیافت كامپوزیت های الیاف كربن چندین آزمایش نیز برای تحقیق در زمینه فرایند بازیافت الیاف كربن ازمواد كامپوزیتی انجام شد. ماده مورد آزمایش، قطعه ای اپوكسی- الیاف كربن بود كه به روش پیچش الیاف ساخته شده و با آسیاب چكشی به قطعاتی كوچك تر از 10 میلی متر رد شده بود. آزمایش های بستر سیال تا دمای 5 درجه سانتی گراد انجام شدند و نتایج نشان دادند كه تا این دما، اپوكسی از الیاف جدا شد ولی اكسیداسیون زیادی در سطح رخ نداد. الیاف كربن بازیافتی با میكروسكوپ الكترونی روبشی (SEM) بررسی شدند. این الیاف در شرایط مناسب قرار داشتند. مشخصه سازی الیاف شیشه بازیافتی الیاف شیشه بازیافتی به شكل تك رشته های كوتاه بودند. استحكام كششی، مدول یانگ و توزیع طول آنها مورد بررسی قرار گرفت. مدول این الیاف تغییری نداشت ولی كاهش محسوس در استحكام آنها مشاهده شد كه دلیل آن دمای بالای بستر سیال بود. استحكام الیاف بازیافتی در دمای 450 درجه سانتی گراد، نصف استحكام الیاف شیشه اولیه بود. این كاهش استحكام در مقالات نیز گزارش شده است. آزمایش های كنترل شده در كوره آزمایشگاهی ، نشان دادند كه این اثر به علت افزایش دمای فرایند است و به نظر میرسد كار مكانیكی در بستر سیال ، تاثیر محسوسی بر استحكام ندارد. اندازه گیری توزیع طول الیاف بازیافتی بسیار دشوار بود. پس از چندین مرحل تحقیق و بررسی، روش پردازش تصویری با به كار گیری چندین نرم افزار دقیق مورد استفاده قرار گرفت. به این ترتیب میانگین طول الیاف بازیافتی 5-3 میلی متر گزارش شد. بررسی تصویرهای میكروسكوپی الیاف نیز نشان دهنده كیفیت خوب الیاف و آلودگی سطحی بسیار كم بود. به این ترتیب فرایند بستر سیال روشی مناسب برای جداكردن الیاف از زمینه های پلیمری است. به كار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی الیاف شیشه بازیافت شده تك رشته های كوتاهی بودند كه سفتی آنها برابر سفتی الیاف شیشه اولیه اما استحكام آنها كم تر بود. بر پایه شكل و اندازه آنها، امكان به كار گیری این الیاف دركاربردهای مورد بررسی قرار گرفت كه استحكام الیاف درآنها به اندازه سفتی مهم نبود. دو كاربرد با جزئیاتی كه درپی خواهد آمد مورد بررسی قرار گرفتند. در هر دوی این كاربردها الیاف بازیافتی مستقیما به جای الیاف نو به كار گرفته شدند. بنابر این می توان گفت الیاف بازیافتی این توان بالقوه را دارند كه به صورت موادی ارزشمند مورد توجه قرار گیرند. 1. تهیه پارچه سوزنی پارچه سوزنی الیاف شیشه كربرد های بسیاری ، در صنعت كامپوزیت 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 تك رشته هایی درون یك مایع پراكنده شده و سپس روی یك پارچه توری یا الك خوابانده می شود تا بافت مورد نظر به دست آید. از آنجائی كه در بسیاری از كاربردها استحكام پارچه ویژگی زیاد مهمی نیست، این فرایند، فرایندی ایده آل به ویژه برای به كارگیری 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 كردن سطح پرداخت نهایی خوب هم در آزمایشگاه (اندازه گیری زبری سطح) و هم بصورت صنعتی (به كار گیری به عنوان پوشش یك یا چند لایی) آزمایش شد و در هر دو آزمایش ، پارچه نو عمل كرد. آزمایش های محیطی نیز به این صورت انجام شد كه پارچه به عنوان بافت پوششی یك یا چند لایه به كار گرفته شد و سپس قطعه درمعرض محیط فرساینده مناسبی قرار گرفت و مجددا مشاهده شد كه كارایی پارچه تهیه شده از الیاف بازیافتی، تفاوتی با پارچه های نو نداشت. استحكام پارچه سوزنی بازیافتی، به علت كاهش استحكام تك تك الیاف، عمدتا كم تر از پارچه سوزنی نو بود، اگر چه طول كوتاه تر الیاف نیز تاثیر گذار بود. 2. قالب گیری تركیبات گرما سخت ساخت تركیبات گرم سخت به روش قالب گیری نیز فرصت مناسبی برای به كار گیری مجدد الیاف شیشه بازیافتی است. این مواد معمولا ركاربردهای نیازمند استحكام زیاد به كارگرفته نمی شوند و فرایند تركیب سازی آنها با كمی اصلاح، می تواند برای الیاف بازیافتی تغییر داده شود. آزمایش های انجام شده روی یك تركیب قالب گیری خمیری (DMC) درآزمایشگاه نشان دادند كه جایگزینی الیاف شیشه بازیافتی به جای الیاف معمولی تا 50 درصد تاثیر قابل ملاحظه ای بر ویژگی های مكانیكی ماده-استحكام كششی، مدول و استحكام ضربه ندارد. به دنبال این آزمایش ها، یك قطعه آزمایشی توسط یكی از شركتهای همكار در پروژه ساخته و به كار گرفته شد. برای ساخت این قطعه با كاربرد الكتریكی، 17 كیلوگرم تركیب خمیری شكل تهیه شد كه در آن 50 در صد الیاف شیشه با الیاف بازیافتی جایگزین شده بود. فرایند تركیب سازی وعملیات قالب گیری تحت تاثیر این جایگزینی قرار نرگفت و تركیب تولید شده از نظر ظاهری تفاوتی با سایر تركیبات نداشت. ویژگی های مكانیكی و الكتریكی 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 كه اصلاح آنها می تواند به بیشتر عملی شد این فرایند منجر شود، یك برآورد اقتصادی ازاین فرایند انجام شد. برای انجام این تحلیل ابتدا یك كارخانه بازیافت د رمقیاس واقعی طراحی شده و تجهیزات مورد نیاز ، اندازه تجهیزات و شرایط كار آنها (دما، فشار، سرعت، جریان سیال و...) مشخص شد. نتایج نشان دادند كه برای سر به سر شدن هزینه های این كارخانه، توان بازیافت آن باید 10000 تن در سال باشد. برای این كه كارخانه 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 ممكن است به افزایش توان تولید و عملی تر شدن چنین طرح هایی منجر شود. تحلیل هزینه های مشابهی برای كارخانه بازیافت الیاف كربن شیشه ارزش بیشتری دارد، تاسیس چنین كارخانه ای با توان تولید چند صد تن الیاف در سال امكان پذیر خواهد بود. منبع : انجمن کامپوزیت ایران