up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله مواد کامپوزيتي PDF
QR code - مواد کامپوزيتي

مواد کامپوزيتي

بازيافت مواد کامپوزيتي

نوشتار حاضر، گزارش نهايي يک پروژه تحقيقاتي در زمينه بازيافت مواد کامپوزيتي است. هدف کلي اين برنامه پژوهشي ، افزايش کاربرد کامپوزيت هاي پليمري گرما سخت، از طريق توسعه فن آوري بازيافت مواد دور ريز بوده است. براي انجام اين پروژه دو روش به کار گرفته شد :
روش کار در دانشگاه برونل به کار گيري مجدد کامپوزيت هاي گرما سخت خرد شده به عنوان پر کننده درپليمرها و فن آوري مربوطه بود. يک فن آوري با فرآيندهايي که به توليد محصولاتي با ارزش افزوده بالا منجر مي شود. اين فرآيندها به ويژه براي بازيافت قراضه هاي تقريبا تميز و غير آلوده کامپوزيتي مناسب هستند.
در دانشگاه ناتينگهام کار بر روش هاي حرارتي بستر سيال متمرکز شده بود که انرژي و الياف را به شکلي مناسب براي تهيه محصولات با ارزش بازيافت مي کنند. اين فرآيند براي قراضه هاي آلوده و مخلوط با ساير مواد، حاصل از قطعات صنايعي همچون صنعت خودرو مناسب است.
اين گزارش نتايج کارهاي انجام شده در دانشگاه ناتينگهام را بيشتر مورد بررسي قرار مي دهد. در اين دانشگاه يک فرآيند بستر سيال به کار گرفته شد. فرآيندي که باي بازيافت ماده تقويت کننده و انرژي از طريق سوزاندن زمينه پليمري مواد کامپوزيتي مناسب است. سپس الياف بازيافتي مشخصه سازي شده و کاربرد آنها درجاهايي که ارزش افزوده بالايي دارند نشان داده شده است.
هدف اصلي اين مطالعه، کامپوزيت هاي گرما سختي بود که درحجم بالا به کارگرفته مي شوند. کامپوزيت هايي با زمينه پلي استر، و فنليک که با الياف شيشه تقويت شده و با مواد معدني پر شده اند. کامپوزيت هاي الياف کربن نيز مورد مطالعه قرار گرفته اند.
● فرآيند بستر سيال
به کارگيري بستر سيال براي بازيافت الياف و شيشه و انرژي از مواد کامپوزيتي، بر مبناي يک کار قبلي در دانشگاه ناتينگهام انجام شد که درآن فرآيندهاي گوناگون احتراق به عنوان روش بازيابي انرژي از کامپوزيتها مورد مطالعه قرار گرفته بودند. زمينه پليمري کامپوزيت هنگام ورود به بستر سيال دما بالا تجزيه شده و اين امر منجر به آزاد شدن الياف و پرکننده و خروج آنها از بستر به وسيله جريان گاز مي شود. يک بستر سيال دراندازه هاي آزمايشگاهي و به قطر ۳۱۵ ميلي متر ساخته شده و هواي سيال ساز به صورت الکتريکي پيش گرم شد تا بستر در دمايي بيش از ۷۵۰ درجه سانتي گراد کار کند. الياف و پرکننده ها پس از ترک بستر سيال به وسيله چرخانه از جريان گاز جدا شدند.
پژوهشهاي نخستين روي يک نمونه صنعتي پايه پلي استري انجام شد که به روش قالب گيري ورقه اي ساخته شده بود. نتايج نشان دادند که استحکام الياف شيشه در طول فرايند با افزايش دما کاهش مي يابد. با اين وجود حداقل دمايي براي تجزيه پليمر و آزاد شدن الياف مورد نياز بود. به اين ترتيب دماي بهينه فرايند تعيين شد.
در دماي ۴۵۰ درجه سانتي گراد ، سوختن کامل نمي شد و به محفظه اي براي احتراق ثانويه نياز بود که در آن، گازهاي بستر سيال، پس از جدا شدن از الياف و پرکننده ها بسوزند. پس از اين محفظه، يک مبدل گرمايي قرارداده شد که در آن از سوزاندن پليمر انرژي به دست آيد.
● بهينه سازي دستگاه بازيافت الياف
سيستم جريان گردبادي الياف و پرکننده نصب شده، نمي توانست الياف را به طور کامل از پرکننده جدا کند و براي دستيابي به اليافي با کيفيت بالاتر، به سيستم جداساز بهتري نياز بود. به همين علت، يک توري چرخان روي مجراي بستر سيال نصب شد. با عبور گازهاي خروجي بستر سيال از توري، الياف در سوراخ هاي توري گير مي کنند.
با چرخش توري، الياف از جريان گاز خروجي جدا شده و داخل يک جريان هواي مخالف قرار مي گيرند که الياف را از توري گذرانده و وارد مجراي جمع کننده مي کند. ذرات پرکننده روي شبکه توري جمع نمي شوند. اين توري چرخان قادراست الياف شيشه را با خلوص ۸۰ در صد جمع آوري کند.
● آماده سازي مواد براي بازيافت
قراضه هاي کامپوزيتي از داخل يک قيف و به وسيله يک ماردون به درون بستر سيال تغذيه مي شوند. موثرترين روش آماده سازي، به کار گيري آسياب چکشي براي خرد کردن ضايعات است، تا حدي که از يک توري با شبکه هاي ۵ تا ۱۰ ميلي متري عبور کنند. نتايج نشان دادند که با کوچک تر شدن ابعاد مواد ورودي، روند فرايند بستر سيال سريع تر مي شود و مواد باقي مانده درکف بستر در هر مرحله، کاهش مي يابد. با اين وجود درچنين شرايطي متوسط طول الياف بازيافتي کوتاه تر است. علاوه بر قطعات SMC ، ديگر ضايعات کامپوزيتي تقويت شده با الياف شيشه نيز از روش بستر سيال بازيافت شدند، از جمله قطعه اي از وينيل استر شيشه با پرکننده سيليس. هر دوي اين کامپوزيت ها با روشي مشابه به روش ذکرشده براي قطعات SMC فرآوري شدند، اگر چه تجزيه رزين وينيل اسر بسيار کند تر از پلي استر انجام شد. يک صفحه فنليک شيشه نيز بازيافت شد. رزين فنليک زمان بيشتري براي تجزيه نياز داشت و قطعات باقي مانده از الياف شيشه با سختي به رشته هاي جداگانه تبديل مي شدند.
● بازيافت قطعات خودرو
هدف اصلي اين پروژه، نمايش امکان بازيافت قطعات کامپوزيتي کهنه و اسقاطي از طريق بستر سيال بود، به ويژه ضايعات صنعت خودرو که در صورت ورود کامپوزيت به صنعت خودرو حجم زيادي خواهند داشت. اين ضايعات اغلب به مواد ديگر چسبيده اند و قطعه انتخاب شده براي اين آزمايش نيز درصندوق عقب يک خودرو- سازه اي ساندويچي متشکل از دو لايه پلي استر تقويت شده با شيشه و يک مغزي از فوم پلي اورتان – بود. اين قطعه رنگ شده بود و تعدادي قطعه فلزي داخل آن قرار داشت. اين قطع ابتدا با برش و سپس آسياب چکشي به قطعاتي کوچک تر از ۱۰ ميلي متر خرد شد. سپس تمام محصولات آسياب شده به درون بستر سيال تغذيه شد و دردماي ۴۵۰ درجه سانتي گراد فراري شد. خلوص محصول به دست آمده ۸۰ درصد بود. پس از آزمايش مقدار کمي زغال (ناشي از فوم پلي اورتان) و تعدادي قطعه فلزي در بستر سيال باقي مانده بود.
● بازيافت کامپوزيت هاي الياف کربن
چندين آزمايش نيز براي تحقيق در زمينه فرايند بازيافت الياف کربن ازمواد کامپوزيتي انجام شد. ماده مورد آزمايش، قطعه اي اپوکسي- الياف کربن بود که به روش پيچش الياف ساخته شده و با آسياب چکشي به قطعاتي کوچک تر از ۱۰ ميلي متر رد شده بود. آزمايش هاي بستر سيال تا دماي ۵ درجه سانتي گراد انجام شدند و نتايج نشان دادند که تا اين دما، اپوکسي از الياف جدا شد ولي اکسيداسيون زيادي در سطح رخ نداد. الياف کربن بازيافتي با ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) بررسي شدند. اين الياف در شرايط مناسب قرار داشتند.
● مشخصه سازي الياف شيشه بازيافتي
الياف شيشه بازيافتي به شکل تک رشته هاي کوتاه بودند. استحکام کششي، مدول يانگ و توزيع طول آنها مورد بررسي قرار گرفت. مدول اين الياف تغييري نداشت ولي کاهش محسوس در استحکام آنها مشاهده شد که دليل آن دماي بالاي بستر سيال بود. استحکام الياف بازيافتي در دماي ۴۵۰ درجه سانتي گراد، نصف استحکام الياف شيشه اوليه بود. اين کاهش استحکام در مقالات نيز گزارش شده است. آزمايش هاي کنترل شده در کوره آزمايشگاهي ، نشان دادند که اين اثر به علت افزايش دماي فرايند است و به نظر ميرسد کار مکانيکي در بستر سيال ، تاثير محسوسي بر استحکام ندارد.
اندازه گيري توزيع طول الياف بازيافتي بسيار دشوار بود. پس از چندين مرحل تحقيق و بررسي، روش پردازش تصويري با به کار گيري چندين نرم افزار دقيق مورد استفاده قرار گرفت. به اين ترتيب ميانگين طول الياف بازيافتي ۵-۳ ميلي متر گزارش شد.
بررسي تصويرهاي ميکروسکوپي الياف نيز نشان دهنده کيفيت خوب الياف و آلودگي سطحي بسيار کم بود. به اين ترتيب فرايند بستر سيال روشي مناسب براي جداکردن الياف از زمينه هاي پليمري است.
● به کار گيري مجدد الياف شيشه بازيافتي
الياف شيشه بازيافت شده تک رشته هاي کوتاهي بودند که سفتي آنها برابر سفتي الياف شيشه اوليه اما استحکام آنها کم تر بود. بر پايه شکل و اندازه آنها، امکان به کار گيري اين الياف درکاربردهاي مورد بررسي قرار گرفت که استحکام الياف درآنها به اندازه سفتي مهم نبود. دو کاربرد با جزئياتي که درپي خواهد آمد مورد بررسي قرار گرفتند. در هر دوي اين کاربردها الياف بازيافتي مستقيما به جاي الياف نو به کار گرفته شدند. بنابر اين مي توان گفت الياف بازيافتي اين توان بالقوه را دارند که به صورت موادي ارزشمند مورد توجه قرار گيرند.
۱) تهيه پارچه سوزني
پارچه سوزني الياف شيشه کربرد هاي بسياري ، در صنعت کامپوزيت و چه در ديگر صنايع دارد. اين نوع پارچه ها به روش هاي گوناگون تهيه مي شوند و متداول ترين روش، فرايندي تر مشابه روش شبيه به صورت تک رشته هايي درون يک مايع پراکنده شده و سپس روي يک پارچه توري يا الک خوابانده مي شود تا بافت مورد نظر به دست آيد. از آنجائي که در بسياري از کاربردها استحکام پارچه ويژگي زياد مهمي نيست، اين فرايند، فرايندي ايده آل به ويژه براي به کارگيري دوباره الياف شيشه بازيافتي است.
پارچه هاي تهيه شده با نسبت هاي گوناگون الياف بازيافتي، از روش هاي متفاوتي ارزيابي شدند. به عنوان مثال مناسب بودن بافت سطحي اين پارچه ها براي فراهم کردن سطح پرداخت نهايي خوب هم در آزمايشگاه (اندازه گيري زبري سطح) و هم بصورت صنعتي (به کار گيري به عنوان پوشش يک يا چند لايي) آزمايش شد و در هر دو آزمايش ، پارچه نو عمل کرد. آزمايش هاي محيطي نيز به اين صورت انجام شد که پارچه به عنوان بافت پوششي يک يا چند لايه به کار گرفته شد و سپس قطعه درمعرض محيط فرساينده مناسبي قرار گرفت و مجددا مشاهده شد که کارايي پارچه تهيه شده از الياف بازيافتي، تفاوتي با پارچه هاي نو نداشت. استحکام پارچه سوزني بازيافتي، به علت کاهش استحکام تک تک الياف، عمدتا کم تر از پارچه سوزني نو بود، اگر چه طول کوتاه تر الياف نيز تاثير گذار بود.
۲) قالب گيري ترکيبات گرما سخت
ساخت ترکيبات گرم سخت به روش قالب گيري نيز فرصت مناسبي براي به کار گيري مجدد الياف شيشه بازيافتي است. اين مواد معمولا رکاربردهاي نيازمند استحکام زياد به کارگرفته نمي شوند و فرايند ترکيب سازي آنها با کمي اصلاح، مي تواند براي الياف بازيافتي تغيير داده شود. آزمايش هاي انجام شده روي يک ترکيب قالب گيري خميري (DMC) درآزمايشگاه نشان دادند که جايگزيني الياف شيشه بازيافتي به جاي الياف معمولي تا ۵۰ درصد تاثير قابل ملاحظه اي بر ويژگي هاي مکانيکي ماده-استحکام کششي، مدول و استحکام ضربه ندارد.
به دنبال اين آزمايش ها، يک قطعه آزمايشي توسط يکي از شرکتهاي همکار در پروژه ساخته و به کار گرفته شد. براي ساخت اين قطعه با کاربرد الکتريکي، ۱۷ کيلوگرم ترکيب خميري شکل تهيه شد که در آن ۵۰ در صد الياف شيشه با الياف بازيافتي جايگزين شده بود. فرايند ترکيب سازي وعمليات قالب گيري تحت تاثير اين جايگزيني قرار نرگفت و ترکيب توليد شده از نظر ظاهري تفاوتي با ساير ترکيبات نداشت. ويژگي هاي مکانيکي و الکتريکي قطعه DMC توليد شده با الياف بازيافتي درمحدوده قابل قبولي قرار داشت.
● تحليل اقتصادي
به منظور ارزيابي چشم انداز احتمالي توسعه بيشتر فرايند بستر سيال و تعيين حوزه هايي که اصلاح آنها مي تواند به بيشتر عملي شد اين فرايند منجر شود، يک برآورد اقتصادي ازاين فرايند انجام شد. براي انجام اين تحليل ابتدا يک کارخانه بازيافت د رمقياس واقعي طراحي شده و تجهيزات مورد نياز ، اندازه تجهيزات و شرايط کار آنها (دما، فشار، سرعت، جريان سيال و...) مشخص شد.
نتايج نشان دادند که براي سر به سر شدن هزينه هاي اين کارخانه، توان بازيافت آن بايد ۱۰۰۰۰ تن در سال باشد. براي اين که کارخانه پس از ۱۰ سال، سالانه ۳ درصد سود داشته باشد، توان بازيافت آن بايد ۱۵۰۰۰ تن در سال باشد.
تغيير و بهبود فرايند بستر سيال ممکن است به افزايش توان توليد و عملي تر شدن چنين طرح هايي منجر شود. تحليل هزينه هاي مشابهي براي کارخانه بازيافت الياف کربن شيشه ارزش بيشتري دارد، تاسيس چنين کارخانه اي با توان توليد چند صد تن الياف در سال امکان پذير خواهد بود.

نمونه برداري خاک: هدف:تجزيه وشناخت خاک و در نتيجه مورد استفاده قرار دادن آن است 1.تقسيم بندي زمين:بر اساس نوع زمين ونوع گياه وشيب يا مسطح بودن 2.نمونه ...

● نانو دانش و فنون مقياس نانو در اين نوشتار با دو دسته از مواد هوشمند نوع اول آشنا خواهيم شد که آشنايي با آنها ديد مناسبي از نحوه عملکرد ساير مواد اين ...

بشر با تلاش براي دستيابي به مواد جديد, با استفاده از مواد ألي (عمدتا هيدروكربنها) موجود در طبيعت به توليد مواد مصنوعي نايل شد. اين مواد عمدتا شامل عنص ...

هواپيماهاي هوشمند، خانههاي باهوش، بافتهاي حافظهدار شکلي، ميکرو ماشينها، سازههاي خودآرا و رنگهاي نانويي متغير کلماتي هستند که از سال ۱۹۹۲ و با تجاري شد ...

كانابيس (حشيش يا ماري جوانا) از ۵۰۰۰ سال پيش هم براي مقاصد تفريحي و هم براي مقاصد طبي مورد استفاده بود. اين ماده كه منشأ آن را چين يا آشور دانسته اند، ...

اکتشاف نفت يکي از نقاط عطف زندگي بشر بوده است. با اين کشف مهم، آتش که همواره ارزشي ابدي و ازلي داشت از برج عاج خود پايين آمد. چون همگان به راحتي مي­ ت ...

پيش از هرگونه تحليل و تدبير، در ابتداي ورود به بحث، فرازهايي از اخبار منتشره طي چند روز گذشته، در اين يادداشت مورد توجه قرار مي گيرد. سازمان خصوصي ساز ...

نيروگاه اتمي در واقع يک بمب اتمي است که به کمک ميله هاي مهارکننده و خروج دماي دروني بوسيله مواد ‏خنک کننده مثل آب و گاز ، تحت کنترل در آمده است. اگر ر ...

دانلود نسخه PDF - مواد کامپوزيتي