SciRep: Разработан новый электроимпульсный метод переработки углеволокна

Мир стремительно движется к развитому будущему, и полимеры, армированные углеродным волокном, CFRP, играют ключевую роль в обеспечении технологического и промышленного прогресса.

Эти композитные материалы отличаются легкостью и высокой прочностью, что делает их востребованными для применения в различных областях, включая авиацию, аэрокосмическую промышленность, автомобилестроение, ветроэнергетику и спортивное оборудование.

Однако переработка углепластиков представляет собой серьезную проблему, а утилизация отходов является насущным вопросом. Традиционные методы переработки требуют высокотемпературного нагрева или химической обработки, что приводит к сильному воздействию на окружающую среду и увеличению затрат.

Кроме того, сложно восстановить высококачественные углеродные волокна. В связи с этим в качестве перспективного варианта была предложена электрогидравлическая фрагментация. В этом методе интенсивные импульсы ударной волны, генерируемые высоковольтной разрядной плазмой, направляются вдоль границ раздела различных материалов для разделения различных компонентов.

Хотя этот метод является прибыльным, можем ли мы добиться большего? Отвечая на этот вопрос, группа исследователей из Университета Васэда под руководством профессора Чихару Токоро с факультета креативных наук и инженерии, а также Кейта Сато, Манабу Инуцука и Такетоши Коита разработала новый метод прямого электроимпульсного разряда для эффективной переработки углепластиков.

Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

Токоро рассказывает о мотивах своей работы:

В наших предыдущих исследованиях мы уже приобрели опыт создания ударных волн в воде с помощью электрических импульсов для эффективного дробления труднообрабатываемых материалов.

Однако в таких областях применения, как литий-ионные батареи, мы обнаружили, что прямой разряд, использующий нагрев Джоуля и расширение паров самого материала, более эффективен для высокопроизводительного разделения, чем ударные волны.

Теперь мы применили этот подход к углепластику, предположив, что он может обеспечить более эффективное разделение по сравнению с существующими методами.

Электроимпульсный метод прямого разряда использует выделение тепла, создание теплового напряжения и силу расширения за счет образования плазмы, что позволяет обойтись без нагрева или химических реагентов. Исследователи сравнили этот метод с электрогидравлической фрагментацией, изучив соответствующие физические свойства восстановленных углеродных волокон, включая длину, прочность на разрыв, адгезию к смоле и структурную деградацию, а также энергетическую эффективность с точки зрения разделения волокон. Они обнаружили, что их новая технология является более эффективной для восстановления углеродных волокон. Она сохраняет относительно более длинные волокна с высокой прочностью, а также точно разделяет углепластики на отдельные волокна, не сохраняя остатки смолы на поверхности.

Кроме того, метод прямого разряда повышает энергоэффективность не менее чем в 10 раз по сравнению с традиционными альтернативами, снижая при этом воздействие на окружающую среду и способствуя рациональному использованию ресурсов.

Таким образом, ожидается, что эта технология ускорит переработку углепластиков и внесет значительный вклад в развитие устойчивого общества.

Токоро заключает:

Результаты наших исследований имеют множество применений, связанных с переработкой углепластиков из отработанных авиационных компонентов, автомобильных отходов и лопастей ветряных турбин. Таким образом, данная инновация поддерживает устойчивое развитие всех отраслей промышленности, обеспечивая эффективное восстановление ресурсов и снижая воздействие на окружающую среду.

Ранее ученые сообщили о переработке полиэтилена в углеволокно.

На иллюстрации: фотография и иллюстрация электродной установки, используемой для прямого разряда. Источник: Scientific Reports (Sci Rep).

14.01.2025