車用復合材料生產廢料回收再利用

　　雖然先進纖維增強塑料已被使用了半個多世紀，但近年來才開始用于大眾產品，比如高產量的汽車行業。
　　輕質材料的使用有助于提高燃油效率，有益于環境，進而降低污染率。這與當前的混合動力汽車和電動汽車非常相關。這些車輛配備有大量的蓄電池（為了達到與傳統動力汽車相同的性能），因此需要減輕結構重量，而復合材料可以滿足這一需求。因此必須為這些材料開發一種回收工藝。
　　圖1顯示了經濟適用性的主要驅動因素及其是如何聯系在一起的。它同時也顯示出廢料是由用戶在生產過程中以及部件報廢時產生的。
　　生產廢料相對于報廢結構的優勢在于，某些成分的生產廢料可以直接回用到生產過程中、很容易追蹤、產生于局部、污染水平低。這可以大大減少被送往垃圾填埋場的可用廢料，那些成分適合的廢料可以在高價值的應用得以回用。
　　復合材料生產中的廢料處理方式
　　盡管數量難以估計，但了解一下可能的廢料類型很重要。先進復合材料廢料通?？梢员环殖晌孱悾海?）未固化的或干燥的物質/ 液體樹脂卷和廢料，（2）未固化的邊角料，（3）固化的邊角料，（4）固化廢料，（5）報廢。從這里可以看出，廢料定義廣泛，涵蓋1-4。這些類別可能過于簡化，也不能確定材料類型的多樣性。例如，碳纖維類型多樣，可以按照類型、重量、絲束數量等進行排列，而且沒有任何形式的標簽，識別起來非常困難。
      
　　1. 生產廢料
　　之前，美國用戶總結了先進復合材料的類型、數量以及廢料的處置方法。結果發現，主要的廢料是未固化的預浸料，占廢料總量的大約66%。
　　生產廢料是迫在眉睫的問題，它需要在產生之際就及時處理。人們常說，手工作業只能利用40%的可用材料。對于特定的組件，在后續的修整和加工過程中，浪費的材料比例在2%和40%之間，平均16.2%左右。但令人擔憂的、浪費多的工藝似乎是用原料制備層壓板的過程，據報道，這一生產階段的任何環節都會產生廢料，大約占所投如材料的25%至50%。
　　2. 報廢廢料
　　報廢的情況比較復雜，因為不同組件的使用壽命長短不同。有時，僅僅是因為修護成本超出預算、技術升級或替換部件短缺，部件就可能成為廢料。從本質上講，當它們的使用成本過高時，就只能成為廢料。
　　3. 生產廢料：減少、回用、回收潛力
　　在討論廢料管理策略時，應考慮廢料的分級原則或材料使用的循環層級（如圖2 所示）。廢料分級原則可以有效應用于復合材料，但循環層級結構卻更合適，尤其是在考慮生產廢料時。垃圾填埋處理或能量回收都被省略，但這些仍然是廢料管理的可能選擇。
　　
　　圖2：生產廢料的處理層級：a）傳統線性組織，b）較少使用的周期性層級結構。還有其他可用的層級結構。
　　3.1. 減少
　　減少意味著在設計和生產過程中使用更少的材料，盡量延長產品的使用壽命，以及使用更少的有害物質。在復合材料中，生產廢料是當前的一個主要問題，而層板切割和嵌套產生的廢料少，可以實現精益生產。目前，廢料產生（無論是手動或自動成型、凈成行與否）的大影響因素是在面向制造的設計（DfM）中發現的，其中包括：定義制造層數、根據模具幾何形狀模擬層板的分層情況、為加工增加修整余量、從層板形狀生成平面模型（根據材料輥的寬度）。然而，應該指出，復合材料設計軟件中的DfM 定義不等于傳統意義的DfM。
　　在設計和生產中將一些公認的共性、相互依賴性和相互關系考慮進去，是有可能減少廢料產生的數量的。這些改進包括：
　　 共性：材料輥寬度對比設計的幾何形狀。
　　 相互依賴性：對軸系統的依賴性是要的；指定適用的效率和設計，但是對于廢料，兩者都依賴于所使用的基準位置。
　　 相互關系：設計和制造的能力，溝通設計意圖，了解生產能力。
　　3.2 回用
　　許多材料都有特定的貨架期和使用期限，在許多情況下，使用期限有過期的風險。材料可以短期“復活”，否則他們就會被視為垃圾處理掉。
　　雖然已經有人對廢棄預浸料再利用生產建筑瓷磚進行了研究，但未固化的預浸料廢料（對干織物沒有了解）的回用研究卻非常少。廢料回用作為壓縮模具也有所研究，研究結論認為，“三明治”結構中各種形狀和大小的廢棄部件相互重疊，可以大程度地利用材料。MDA和貝爾直升機公司建議將預浸料廢料用于板材的二級部件，將廢料切成方形然后加以處理，并研究了將預浸料回用制成低成本的原材料用于其他行業，以及減少廢料的策略。預浸料廢料被確定為要廢棄物，層板切割機是主要的收集點。這一研究旨在回收層板切割廢料，將其作為連續的整體回用，或者拼接/重疊廢棄部位形成層壓板。
　　
　　圖3： 先進復合材料的常規回收路徑。
　　近，研究似乎更傾向于將預浸料廢料切成正方形或長方形，然后將其作為非定向粗紗用于壓縮成型工藝中。這些工藝與能夠大化廢料表面積的工藝相比較，盡管要冒著性能老化的以及生產缺陷的風險，但的確顯示出了某種潛力。此外，在某些情況下，多余的樹脂必須要用掉。因此，建議將粉碎工序視作回收的機會而不是回用。
　　3.3. 回收
　　盡管材料性能不同，工藝也可能不同，但復合材料的回收工藝與熱塑性塑料相似，除了一些特殊的工藝，例如活化。圖3 試著總結了可用于復合材料回收的技術。
　　許多回收技術面臨的主要問題是如何處理回收來的產品。機械研磨可以回收將近100%的原材料，但得到的纖維/樹脂顆粒是高度老化的，只能作為填充材料使用，或者在其他工藝中作為添加劑，例如混凝土，僅此而已。大多數溶劑分解或熱解工藝似乎只收回纖維，而舍棄固化的樹脂。
　　回收產品的質量和清潔度自然會隨著所用技術的不同而不同。它們通常能夠比機械研磨得到更多有用的產品，但是這些方法獲得的纖維仍然帶有殘留污染（可達幾個百分點）。然而，溶劑分解和熱解仍然依賴于切碎、磨碎或分解的原料，因為它們仍然是批處理工藝。
　　因此回收狀態的纖維長度比較短，從對這些回收材料與投放材料的表征可以看出一系列的長度對比。此外，纖維大多數是糾纏在一起的或松散的，沒有結構和秩序，這就意味著它們還需要進一步處理，除非就以這種形態出售。建議好的原料可以通過編織工藝來保留織物結構，但是目前市面上還沒有回收織物。
　　有幾種方法可以將加工過的再生短纖維用于預成型和制造技術中，包括3-DEP、DCFP 演示，近再生短纖維還被用于選擇性激光燒結技術。然而，主要的商業化路線似乎仍然是制成干燥的無定向氈?；蛘?，它可以沿著膠板分布，形成無定向預浸料氈或紗。未來，高價值的潛在方案可能會是將這種材料制成短纖維復合材料板，這是目前比較活躍的一個研究領域。其他參考實例包括：將多余的廢料收集起來，重新制成不連續的無屈曲織物（NCF），其中某些混有熱塑性基材，目前似乎已成功滲透市場。
　　3.4. 布里斯托爾大學的研究
　　布里斯托爾大學前幾年的研究主要集中于減少或回用復合材料廢棄物。例如，將預浸料織物廢料回用，壓塑成層壓板，然后與連續織物板和定向纖維帶作對比研究。還有人較為詳細地研究了減少復合材料生產廢料的各種可能性，他們檢查了大量部件的可能的浪費情況以及部件設計的影響，如材料的選擇、片層形狀和嵌片的復雜性等。研究結果表明，諸如基準位置這樣的簡單選擇都可能會對廢料產生極大的影響。研究人員還研究了層板切割過程中產生的廢料，并探索了它們的回用機會， 例如將不同形狀的廢料收集起來， 然后將它們拼接在一起形成不規則形狀的連續材料卷。在這種情況下，這一方法是可行的，因為廢料相對來說比較簡單，產生周期固定，而且尺寸全面。然而，這些研究工作主要基于航空航天領域，使用的大多是預浸料。
　　
　　圖4：由100 毫米邊長的方形三軸NCF 碎片（近處）和150mm 邊長的方形三軸NCF 碎片（遠處）制成的非連續樣品的鋪設和預浸。
　　近，有人研究了一種新穎的干織物廢料再成形的可行方法，所用的廢料層板復雜度比較高，代表了復雜結構的生產。通常，廢料會在鋪設（再成形）和樹脂注入前被切成塊狀，大小取決于終產品的價值。如果再成形材料是用于高價值組件上，所切成的碎片就比較大，纖維也更長，這意味著可以回用的廢料量會減少。如果再成形材料被用于低價值組件（例如半結構單元）中，碎片可以小一點，更多的廢料就可以被利用起來了。再成形有固定的模式，因此結構具有不連續性，在每一層層壓板中形成一個網格結構。這些網格在層板之間根據設計互相補償，在層壓板中提供足夠的強度。這是一種將纖維沖重新制成復合材料的方法，能夠提供合理的可預見的強度性能。圖4展示了一個利用這種碎片鋪設成形為板材的實例。
　　這種方法也可以用于減少廢料。如上所述，優化嵌片的布局可以將邊角料的數量降到低。如果可以在切割邊角料時將產生的廢料降到低，那么后的廢料數量將進一步減少。這取決于所需的碎片的大小。更小的碎片意味著嵌片調整越少，可利用的邊角料數量就越多。反過來，碎片的大小將同時考慮材料的價值和不可回用廢料的成本。
　　換句話說，如果材料被用于高價值的產品中，它就會比用于低價值產品（例如非結構性的車身板）擁有更高的價值。圖5顯示的是一個復雜部件的嵌片，以及尺寸逐漸增大的可回用廢料部位。在許多片材切割機中，都是通過切割廢料來進行廢料處理的，但是原始片材嵌片的優化和廢料回收還需要進一步的研究工作。
　　復合材料回收目前所面臨的問題
　　目前，主要有四種因素制約著生產廢料在復合材料產品中的回收再利用。先，對制造商來說，將廢料運送到垃圾填埋場仍然是迄今為止成本低的一種選擇。第二，商業上可行的回用和回收工藝很少。第三，鑒于整個回收過程對環境的影響，相對于垃圾填埋來說，改進并不大。第四，人們通常不愿使用回收的復合材料，因為他們認為回收材料的品質低于原始材料，而且很難確保材料性能的一致性。

　　圖5：一個復雜幾何結構的層板嵌片，顯示了采用不同尺寸碎片的可回用廢料。（a） 原始的層板嵌片，目前大量材料已損失；（b） 采用50×50mm 的碎片獲取和回用廢料的潛力；（c）采用100×50mm的碎片獲取和回用廢料的潛力；（d）采用100×100mm 的碎片獲取和回用廢料的潛力。注意：藍色部分為回用廢料。
　　人們正在從兩個方向解決成本問題。垃圾填埋場管理立法通常會增加廢料到垃圾填埋場的運送成本，但會減少回收處理的成本，因為廢料被集中起來，解決了缺乏商業處理規模的問題。例如，英國ELG碳纖維有限公司擴大了其熱解工藝，每年可連續回收1200噸廢料，其他國際回收運營商也有著相同的做法。但這些是回收工藝的一些選擇，實際制造過程中還需要大規模的回收流程（特別是在使用本身不需要回收的干纖維時）。目前，擴大回收產能對于不斷增加的生產廢料（或未來的報廢廢料）來說，實際上是相形見絀的，但這可能會很快提升未來的回收能力（需要與產生的廢料相匹配）。這對于生產廢料來說非常適用，因為生產料的位置和質量是可以得到充分控制的。對于復合材料的成本和產能來說，值得注意的是，更應該考慮的是垃圾的體積，而非重量，并理解廢料所損失的價值。例如，概括來說，1噸250gsm的廢料大約為4000平方米，如果25sqm等于100k，但處理成本高僅為 130（加上運輸成本等）。僅僅回收再用25% 的廢料就能夠看到巨大的回報，其決定因素包括材料類型、數量、處理要求、適用性、補充材料的范圍或工藝要求。
　　環境影響問題非常有趣。研究人員對回收玻纖和碳纖的垃圾填埋、熱解、焚燒與能量回收工藝進行了生命周期評估（LCA）。結果表明，對玻璃纖維來說，運送到到垃圾填埋場更環保，而對于碳纖維來說，熱解回收碳纖維可能對環境更有益，因為它能夠減少了原始纖維的生產（排放）。據作者了解，在材料回收的環境影響評估中，還沒有采用LCA。
　　后，回收復合材料質量的顯著降低是難以解決的，因為這些材料可能無法保持性能的一致，而且其目標應用可能只是廉價產品。這主要是因為兩個因素。先，不同的制造商可能采用不同的廢料管理政策，原材料的品質可能差別較大。第二，回收過程可能會增加可變性和成本，這取決于所使用的方法（例如將回收的定向纖維帶編織或捆綁成絲束）。一般來說，回收復合材料廢料得到的是短纖維材料。在此種情況下，回收材料需要新的應用，而不是把它看作原始材料的替代品。
　　高價值應用的生產廢料再成形
　　為展示布里斯托爾大學的再成形方法，研究人員制成了一種可用于高價值產品的材料。樣本被制成了管子，并在18 毫米/ 秒的準靜態條件下被壓碎，以模擬能量必須被吸收的場景。選擇這一應用主要有兩個原因。先，終的強度不是破碎結構的主要需求，能量吸收性能則更為重要。其次，盡管汽車行業有望成長復合材料的大消費者，有些結構將永遠采用金屬材料，除非復合材料結構更具成本優勢。他們還利用報廢的回收織物（灌注有相同的樹脂系統），研究比較了破碎結構的動態性能。研究結果表明，回收織物可用于這種類型的應用中，性能與原始材料相當。
　　
　　圖6：18 毫米/ 秒準靜態測試后的演示用粉碎管。
　　管子是用三軸和雙軸碳纖維NCF的邊角料制成的，單個碎片的尺寸是100×50毫米。這些管子的設計特點是，400毫米長的管子厚度是沿著長度增加的，圖6顯示了一根斷裂的管子。研究結果表明，回收材料與原始玻纖增強的環氧樹脂吸收了相同數量的能量，并以一種穩定的可預測的方式斷裂了，但隨著管壁厚度的增加，吸收的能量也更多（見圖7）。從這些初步的研究成果開始，近的工作集中于研究失敗案例、確定結構性能的改善措施（以便比連續碳纖維制品吸收更多的能量）、探索機械性能的可重復性。既然再成形材料是由廢料制成的，購買材料的成本就降低了。但是生產時間還不盡如人意，也就是說，生產成本會超過節省的材料生產。新的研究成果顯示，材料性能的改進是有限度的，這將減少赤字，但為了材料的商業化，還需要開發自動化的生產工藝。
　　
　　圖7：演示實驗的載荷/ 位移結果，表明隨著管壁厚度的增加，所需的壓力也越大。還可以看出，盡管是非連續樣品，采用的是邊角料，其性能也與原始的玻璃纖維材料相當。
　　設計需求的演變
　　目前，再成形復合材料在航空航天和汽車中的應用受制于大眾所能接受的設計需求，盡管兩個行業之間存在著差異。汽車行業的裝配幾何公差整體上可能比航空航天業更緊，因為汽車的形狀與設計更佳相關，而飛機的形狀是功能決定的。這對于再成形材料來說這都是限制。如果非連續性導致材料的不一致性，目前這兩個行業可能都不愿意在結構組件中使用回收復合材料。
　　這兩個行業的另一個主要區別是價值/體積比。盡管產品尺寸不同，每公斤飛機的價格比汽車貴好幾倍，但汽車的生產速率比飛機高得多（例如，每年出產的空客A350大約有120架，而寶馬i3大約每年出產20000臺）。復合材料如果要在汽車行業有所作為，相對于航空航天業，其成本要減少95% 以上，因此，各個行業之間已經展開合作。例如，回收材料已經出現，因此，設計方面的要求可能會在未來逐漸完善。這就表明，在復合材料在這兩個行業內實現工業化應用之前，將會有一段過渡時期，然后才有可能參與大批量生產。巨大的汽車市場將尋求真正的復合材料結構（而不是復合材料包覆的金屬框架），同時保留對高容量/ 低價值的需求。
　　未來方向
　　汽車行業已經開始應用復合材料，包括回收材料的應用。例如，寶馬i8的車頂板就采用了由廢棄的碳纖維廢料重新制成的無定向氈墊。作為商業演示品來說，這個產品無疑是優秀的，但考慮到成本，可以使用更便宜的材料，因為車頂的結構載荷比較低。如前所述，復合材料在汽車主體結構或犧牲性組件上的全面應用還任重道遠。復合材料的生命周期評估、回收材料的性能及其在航空航天和汽車中的應用影響都頗為重要。在汽車行業，回收材料是唯一有競爭力的材料。
　　布里斯托爾大學所研究的再成形材料是邁向主結構目標的一大進展。雖然目前這項研究的技術成熟度（TRL）還比較低，但它表明不連續材料的能量吸收性能良好。希望這成為回用材料的一個有價值的應用，而不僅僅是車身板。為了從實驗室轉移到商業生產，需要開發一種合適的制造工藝，Patch Preforming 、或Part via Preform 等比較有吸引力。一般來說，制造工藝成本要低，并盡可能地塊，以與其他材料的制造工藝相競爭。但回收材料的收集和處理成本在某種程度上影響了制造工藝的低成本需求。因此，先要降低收集和處理成本，使其具備商業可行性。有一個潛在方法可以降低這一成本，即在原始材料部件的生產中心裝置一個廢料收集系統和再成形站，以免除物流成本從而限制資本風險，然而到目前為止，人們更重視回收工藝，而非收集、處理和分類）。確實，一個考慮了完整的層級結構和材料階段（價值、結構和功能）廢料管理系統是必要的。如果做到了這些，那么復合材料的回收前景將欣欣向榮。
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