C13 - Reciclarea Materialelor Compozite
-
Upload
silvia-suta -
Category
Documents
-
view
401 -
download
9
description
Transcript of C13 - Reciclarea Materialelor Compozite
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
VALORIFICAREA DEŞEURILOR DIN
MATERIALE COMPOZITE POLIMERICE
Introducere
Ca o definiţie generală a materialelor compozite ar putea fi
dată următoarea formulare. Un material compozit (Fig. 7.1.) este
constituit de ansamblul a cel puţin două materiale de natură diferită,
care se completează astfel încât se obţine un material ale cărui
performanţe sunt superioare elementelor componente luate separat.
În tabelul 1 sunt date mai multe exemple de materiale compozite.
Un material compozit constă, în cazul cel mai general, din
una sau mai multe faze discontinue repartizate într-o fază continuă.
În cazul în care există mai multe faze discontinue, diferite,
compozitul este numit hibrid. De obicei, faza discontinuă este mult
mai dură şi are proprietăţi mecanice superioare fazei continue. Faza
discontinuă se numeşte material de armare, în timp ce faza continuă
se numeşte matrice. O excepţie importantă este cazul polimerilor
modificaţi de elastomeri, unde matricea polimerică, rigidă, este
încărcată cu particule elastomerice.
În general proprietăţile materialelor compozite rezultă din:
- proprietăţile materialelor constituente,
- distribuţia geometrică a materialelor constituente,
1
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
- interacţiunea materialelor constituente.
Astfel, pentru a caracteriza un material compozit este necesar
să specificăm:
- natura constituenţilor şi proprietăţile lor,
- geometria şi distribuţia materialului de armare,
- natura interfeţei matrice-material de armare.
Tabelul 1. Exemple de materiale compoziteConstituenţi Domenii de aplicaţie
1. Compozite cu matrice organicăHârtie, carton Răşină/fibre celulozice Tipărire, ambalaje etc.Panouri din particule Răşină/aşchii de lemn TâmplăriePanouri din fibre Răşină/fibre de lemn ConstrucţiiŢesături îmbibate Răşini suple/ţesături Sport, construcţiiMateriale de etanşare Elastomeri/bitum/textile Acoperişuri, teraseTuburi Cauciuc/pânză/oţel AutomobileStratificate Răşină/fibre de sticlă şi carbon Domenii diverseTermoplastice armate Răşină/microsfere
2. Compozite cu matrice mineralăBeton Ciment/nisip/pietriş ContrucţiiCompozite carbon-carbon Carbon/fibre de carbon Aerospaţiale, sport etc.Compozite ceramice Ceramică/fibre ceramice Piese termomecanice
3. Compozite cu matrice metalicăAluminiu/fibre de bor
AerospaţialeAluminiu/fibre de carbon
4. SandwichÎnvelişuri Metale, stratificate, etc.
Domenii diverse
MiezuriSpumă, fagure, balsa, materiale plastice armate
Fig. 7.1. Material compozit.
Material de armare Interfaţă
Matrice
2
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
Clasificarea materialelor compozite
O clasificare generală a materialelor compozite cuprinde
următoarele grupe principale:
- materiale compozite macromoleculare modificate prin
copolimerizarea în bloc, care reprezintă un amestec de
polimeri,
- materiale compozite armate cu whiskers-uri sau cu fibre,
- materiale compozite metalice armate cu fibre.
Materialele care intră în structura compozitelor sunt:
- materiale plastice,
- fibre de sticlă, de carbon, de bor, metalice, lemnoase,
celulozice,
- metale ca: nichel (Ni), cobalt (Co), aluminiu (Al), crom (Cr),
titan (Ti), wolfram (W), tantal (Ta), zirconiu (Zr), molibden
(Mo) etc.,
- fibre sau materiale celulozice (hârtie),
- lemn sub formă de placaje, plăci aglomerate etc.
În funcţie de materialele de armare care intră în componenţa
lor putem avea următoarele tipuri de materiale compozite:
- stratificate, plastice, placate,
- cu particule dure, nemetalice sau metalice,
- cu fibre, materiale armate,
- tip fagure, din material metalic, nemetalic sau masă
3
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
plastică expandată, cu goluri sub formă de celule hexagonale
înscrise într-un cerc cu = 1,5 ÷ 3,5 mm; au rezistenţa la
compresiune Rc = 350 ÷ 400 MPa, densitatea = 0,02 ÷ 0,13
g/cm3 şi rigiditate de 10 ori mai mare ca a oţelului,
- sisteme de oxid de metal-metal,
- obţinute prin solidificare dirijată,
- stratificate (bimetale, materiale metalice tip
sandwich),
- tip spumă.
Clasificarea detaliată a materialelor compozite se face după o
serie de criterii: starea de agregare a matricei şi a materialului de
armare, natura matricei, configuraţia geometrică a materialului de
armare, modul de distribuţie al materialului de armare, modul de
realizare a suprafeţei de contact, dimensiunile materialului de
armare, tipul materialului de armare şi modul de distribuţie al
acestuia, structură şi mod de fabricaţie, structură reţelelor de armare.
După starea de agregare a matricei şi a materialului de armare
După modul de agregare a matricei şi a materialului de
arnare avem:
- compozite de tip lichid - solid (suspensii, barbotine),
- compozite de tip lichid - lichid (emulsii),
4
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
- compozite de tip gaz - solid (structuri “fagure”, aerodispersii),
- compozite de tip solid-solid (metal - carbon, metal - particule
ceramice, metal - fibre metalice, metal - fibre ceramice,
polimeri - fibre, carbon - carbon).
După natura matricei
După natura matricei, materialele compozite pot fi clasificate
în materiale compozite cu matrice organică, cu matrice metalică sau
cu matrice minerală.
1. Materiale compozite cu matrice organică armate cu fibre şi
cu un domeniu de utilizare care nu depăşeşte 300 °C:
- minerale: sticlă, carbon (C), etc.,
- organice: kevlar, poliamide, etc.,
- metalice: bor (B), aluminiu (Al), etc.
2. Materiale compozite cu matrice metalică (Al, Cu, Ni, Mg,
superaliaje, aliaje de Al, Cu Ti), având un domeniu de utilizare ce nu
depăşeşte 600 °C, armate cu:
- fibre minerale: carbon (C), carbură de siliciu (SiC),
- fibre metalice: bor (B),
- fibre metalo-minerale: fibre de bor acoperite cu carbură de
siliciu (BorSic);
3. Materiale compozite cu matrice minerală (ceramică),
având domeniul de utilizare de până la 1000 °C, armate cu:
- fibre metalice (fibre de bor),
- particule metalice (metaloceramici),
- particule minerale (carburi, nitruri).
5
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
După configuraţia geometrică a materialului de armare
În funcţie de forma materialelor de armare, materialele
compozite sunt clasificate în două mari clase, materiale compozite
armate cu:
1. Particule:
- compozite cu particule mari (grafit, oxizi, nitruri,
carburi, aliaje), cu dimensiuni mai mari de 1 m şi diferite
forme: sferică, plată, elipsoidală, neregulată,
- compozite cu microparticule (materialul de armare
reprezintă 1 ÷ 15 , iar diametrul mediu al particulelor nu
depăşeşte 0,1 m),
2. Fibre:
- compozite cu fibre discontinue (fibre scurte, mono
sau multifilamente),
- compozite cu fibre continue.
După modul de distribuţie a materialului de armare
- compozite izotrope,
- compozite anizotrope, cu o distribuţie dirijată a
materialului de armare,
- compozite stratificate.
6
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
După modul de realizare a suprafeţei de contact
- compozite integrate chimic - interacţiunile din suprafaţa de
contact sunt de natură chimică,
- compozite obţinute prin agregare - predomină forţele de
legătură de adeziune şi coeziune între componenţi,
- compozite cu armare dispersă - constau dintr-o matrice rigidă
sau deformabilă în care se înglobează materialul de armare,
forţele de legătură fiind de natură fizică şi/sau chimică.
După tipul materialului de armare şi modul de distribuţie al
acestuia
MATERIALE COMPOZITE
CU FIBRE CU PARTICULE
PARTICULE MICI(MICROPARTICULE)
PARTICULE MARI
ORIENTATEALEATOR
ORIENTATEPREFERENŢIAL
STRATIFICATE(LAMINATE)
NESTRATIFICATE
CONTINUE DISCONTINUE
MULTIDIRECŢIONALEUNIDIRECŢIONALE
ORIENTATE ORIENTATEALEATOR
7
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
După structura reţelei de armare
După dimensiunile materialului de armare
microcompozite - materialul de armare este la scară
microscopică,
macrocompozite - materialul de armare este la scară
macroscopică,
MATERIALE COMPOZITE
ARMATE CU FIBRE ARMATE CU PARTICULE
IZOTROPE(fără orientare privilegiată)
MONOSTRATIFICATE(înglobează multistrate
unidirecţionale)
MULTISTRATIFICATEÎNCRUCIŞATE
ANIZOTROPE(cu orientare privilegiată)
HIBRIDELAMINATE
FIBRE CONTINUE FIBRE DISCONTINUE
ARMAREUNIDIRECŢIONALĂ
(fibre ||)
ARMARE BIDIRECŢIONALĂ
(fibre ţesute)
IZOTROPE(fără orientare privilegiată)
ANIZOTROPE(cu orientare privilegiată)
ARMARE SPAŢILĂ
(ţesături 3D, 4D)
MATERIALE DE ARMARE- Sticlă,- Azbest,- Carbon,- Bor,- Siliciu,- Aliaje metalice,- Safir,- Grafit,- Iută,- Bumbac,- Celuloză,
- etc.
8
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
După modul de fabricaţie
Proiectarea structurilor din materiale compozite este foarte
diferită faţă de aceea a produselor din materiale de sinteză clasice.
Deoarece materialele compozite sunt eterogene trebuie să construim
structura la cerere, rezultatul constituind un sistem care include:
natura şi forma materialului de armare,
natura răşinilor,
geometria piesei de realizat,
procedeul de fabricaţie folosit.
9
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
Reciclarea deşeurilor din materiale compozite
Producţia de materiale compozite a cunoscut o dezvoltare
majoră în ultimii 5 ani. Aceste materiale combină de cele mai multe
ori materiale polimerice şi fibre de armare de kevlar, carbon sau
sticlă. Costul materialelor compozite este mai mare decât a
materialelor clasice datorită preţurilor ridicate a materialelor de
pornire (o tonă de fibră de sticlă costă 1000 £ în timp ce o tonă de
fibre de carbon costă 10000 £), a tehnologiilor utilizate şi a
proprietăţilor diferite pe care le au aceste materiale. În general aceste
materiale se utilizează în industria aeronautică şi aerospaţială, în
construcţia de automobile, în fabricarea obiectelor sanitare etc.
Proprietăţile speciale ale acestor materiale sunt rezistenţă mecanică şi
chimică, manipulare uşoară, procesare uşoară, ciclu de viaţă lung,
structuri uşoare etc.
Pentru reducerea cantităţii de deşeuri provenite din materiale
compozite s-au pus la punct tehnologii care să respecte următoarele
principii:
- Impact scăzut asupra mediului pe toată durata ciclului de
viaţă a produsului;
- Clasificarea materialelor/componentelor în termeni de
reciclare, reutilizare şi recuperarea de energie;
- Proiectare pentru dezasamblare;
- Reconcilierea termenilor de mediu, tehnologie şi comerţ.
10
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
În ultimii ani s-au pus la punct programe pentru recuperarea
şi reciclarea pieselor din materiale compozite sau a resturilor de
materiale compozite rezultate în urma obţinerii pieselor sau
structurilor din materiale compozite. O mare parte din piesele din
materiale compozite sunt în prezent recuperate şi reciclate. De
exemplu, în prezent se reciclează 9 milioane de tone de
autovehicule/an care sunt compuse 75 % din material feros şi neferos
şi 25 % din material compozit. Mai multe firme încearcă să
recupereze şi să recicleze materialele compozite în spaţiul european,
dar cele mai specializate şi mai eficiente sunt firmele MECELEC
Composites et Recyclage din Franţa şi ERCOM din Germania.
Reciclarea şi reutilizarea deşeurilor compozite laminate şi
preimpregnate prezintă o importanţă deosebită deoarece se pot
recupera fibre de armare cum ar fi cele de tip kevlar, carbon sau
sticlă care pe de o parte au un preţ ridicat iar pe de altă parte lăsate în
mediu, acestea au un timp de absorbţie foarte îndelungat.
Pentru procesarea deşeurilor din materiale compozite armate
este necesar ca într-o primă etapă materialele utilizate să fie
mărunţite în bucăţele cu aria cuprinsă între 2 şi 5 mm2. În cea de a
doua fibrele mărunţite vor fi utilizate ca material de armare în
obţinerea de materiale compozite cu matrice epoxidică.
Cea mai mare cantitate de materiale compozite reciclabile
provine din industria aeronautică. Materialele compozite reciclate
împreună cu materialele poliuretanice se pot utiliza pentru obţinerea
de noi materiale de tip sandwich.
11
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
Fibrele de kevlar şi cele de carbon care se reciclează sunt
folosite pentru obţinerea unor materiale compozite cu matrice epoxidică.
Fibrele recuperate au dimensiunile date în tabelul 7.1, iar
caracteristicile răşinilor epoxidice utilizate pentru obţinerea noilor
materiale sunt descrise în tabelul 2.
Tabelul 7.1. Dimensiunile fibrelor recuperate
Fibră Scurte Medii Lungi
Lungime 0,1 - 0,5 mm 0,5 - 1,0 mm 1,0 - 2,0 mm
Tabelul 7.2. Caracteristicile răşinilor epoxidice utilizate
Raşina Vâscozitate [Pa·s]Răşină epoxidică + 1 % Kevlar 51 - 52 67 - 68 94 - 95Răşină epoxidică + 1 % Grafit 44 - 45 59 - 60 94 - 95
Compuşii cu vâscozitatea peste 55 Pa·s vor fi eliminaţi
datorită dificultăţii de determinare a proprietăţilor, în special a celor
de umectare a fibrelor cu răşină. Una din preocupările în
determinarea proceselor de reciclare este obţinerea unor materiale
compozite laminate cu fibrele uniform impregnate, indiferent dacă
este vorba de fibre kevlar, de carbon sau sticlă. Impregnarea
uniformă a fibrelor cu răşină asigură o legătură puternică între cele
două componente a materialului compozit obţinut. O altă problemă
dificilă este de a obţine un material compozit uniform utilizând fibre
de umplutură de diametru de 1 - 2 mm amestecate cu răşină
epoxidică. Cele mai bune rezultate se obţin atunci când se utilizează
12
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
fibre de kevlar cu lungimea de 0,5 mm şi răşină epoxidică cu
vâscozitatea de 52 Pa·s şi fibre de carbon cu lungimea de 0,5 mm
amestecate cu răşină epoxidică cu vâscozitatea de 43 Pa·s.
Rezistenţa mecanică a răşinilor epoxidice creşte cu 16 %
prin adăugarea de fibre scurte în procent de 1 %.
Un alt procedeu de reciclare a materialelor compozite este
piroliza care presupune descompunerea termică a polimerilor la
temperatură înaltă. Folosind această metodă materialele compozite se
transformă într-o pudră fină care poate fi refolosită în obţinerea altor
materiale compozite.
O altă metodă mai nouă de reciclare a materialelor
compozite o reprezintă conversia catalitică. Această tehnologie a
apărut în 1992 şi a fost perfectată de compania Adherent
Technologies Inc. (ATI). Este un procedeu chimic cu ajutorul căruia
pot fi prelucrate deşeurile din materiale compozite în scopul
extragerii fibrelor de carbon. Procedeul ATI amestecă resturile din
materiale compozite într-un reactor (figura 7.2.) după ce acestea au
fost mărunţite mecanic.
13
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
Fig. 7.2. Reactor pilot ATI.
Mărunţirea se face până când deşeurile capătă aspectul unui
fluid care se amestecă cu catalizatorul la temperatură şi presiune
ridicate. Produsele secundare generate conţin compuşi fenolici care
se pot utiliza în industria lemnului. Analiza fibrelor de carbon
recuperate (produsul principal) indică proprietăţi similare cu ale
fibrelor iniţiale (figura 7.3.).
14
Ovidiu NEMEŞ Tiberiu RUSU Vasile-Filip SOPORAN
Fig. 7.3. Vedere la microscopul electronic a fibrelor de carbon recuperate
prin procedeul ATI.
Prin urmare aceste fibre pot fi folosite în orice procedeu care
necesită acest tip de material.
Pe lângă tratarea răşinilor în vederea recuperării fibrelor sau
a răşinilor, o altă modalitate de eliminare a deşeurilor din materiale
compozite este incinerarea. Această metodă nu poate fi însă folosită
în cazul materialelor care conţin fibre de carbon scurte (aproximativ
0,5 mm) datorită faptului că pot fi eliminate în atmosferă fibre scurte
de carbon încărcate electric care nu pot fi capturate şi care ar putea
crea interferenţe electrice.
În cazul fibrelor de carbon cu lungime mai mare de 5 mm se
poate folosi procedeul de recuperare a acestora în pat fluidizat prin
procedeul SEGHERS (figura 7.4.). Deşeurile de materiale compozite
se introduc într-un coş care a fost introdus în patul fluidizat de nisip
preîncălzit la 480 °C.
15
Deşeuri şi Tehnologii de Valorificare
Fig. 7.4. Procedeul SEGHERS de incinerare a deşeurilor în pat fluidizat cu nisip.
Diametrul fibrelor reciclate printr-un astfel de procedeu scade de la 7
mm (fibrele iniţiale) la 5 mm (fibrele reciclate). În general
caracteristicile mecanice ale fibrelor recuperate prin acest procedeu
sunt uşor diminuate (ex: densitatea scade de la 1,77 g/cm2 la 1,4
g/cm2 în fibra recuperată).
16