Nowe propozycje w zakresie recyklingu kompozytów

Zalety materiałów kompozytowych są współcześnie doskonale znane - łącząc ze sobą wytrzymałość oraz niewielki ciężar stały się one niezastąpione w wielorakich zastosowaniach, np. w budowie samochodów, jachtów, turbin wiatrowych; stosuje się je także między innymi w sprzęcie sportowym czy w budownictwie. Ich użycie pozwala na zastąpienie tradycyjnych materiałów o większym ciężarze, dzięki czemu nie tylko można osiągnąć oszczędności materiałowe, lecz także znacząco zmniejszyć wpływ na środowisko poprzez np. mniejsze zużycie paliwa w samochodach.

Tym niemniej wciąż pozostaje wyzwaniem kwestia recyklingu materiałów kompozytowych, których naczelna cecha - wysoka trwałość - staje się w tym przypadku problemem. Badania w tym kierunku zostały podjęte w Europie w latach 80. XX wieku, między innymi przez zespół prof. Andrzeja Błędzkiego pracującego wówczas na Uniwersytecie w Kassel (Niemcy).

Najpoważniejszym przedsięwzięciem w zakresie przemysłowego recyklingu kompozytów SMC była w latach 90. XX wieku działalność firmy ERCOM, wspólnej inicjatywy firm BASF, Vetrotex, Menzolit i Owens-Corning. W zakładach ERCOM działała instalacja do recyklingu mechanicznego kompozytów, pozwalająca na rozdrobnienie i frakcjonowanie ok. 6 tys. ton rocznie. Ze względu jednak na zmienione uwarunkowania prawne po kilku latach zaprzestano produkcji recyklatów.

Współcześnie na znaczeniu zyskał recykling termiczny wyrobów wykonanych z materiałów kompozytowych. Przykładem może być niemieckie rozwiązanie CompoCycle, w którym rozdrabniane kompozyty zastępują surowce używane w cementowni. Proces ten jest diametralnie różny od zwykłego spalania odpadów. W jego wyniku z zawartości nieorganicznej uzyskuje się wartościowy materiał, natomiast termoplastyczna matryca służy jako paliwo.

Jak jednak wskazują badacze, brakuje jak na razie rozwiązania, które mogłoby zaspokoić potrzeby przemysłu, dlatego też naukowcy intensywnie poszukują nowych metod recyklingu kompozytów. Oto kilka z nich.

Naukowcy z Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego w Bydgoszczy oraz Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu opracowali rozwiązanie w zakresie recyklingu włókna szklanego z kompozytów polimerowo-szklanych; otrzymywane włókno szklane jest następnie używane w kompozytach poliolefinowych. W opracowanej metodzie przetwarzane mogą być wyroby z kompozytów składających się z włókna szklanego oraz polimerów chemoutwardzalnych, zwłaszcza poliestrowych i epoksydowych.

Rozdrobniony kompozyt polimerowo-szklany podgrzewa się do temp. 400-600 st. C w warunkach beztlenowych w atmosferze azotu. Podgrzewanie zachodzi w reaktorze mikrofalowym zaopatrzonym w kontrolę temperatury; po jej ustabilizowaniu wsad jest przetrzymywany do momentu, gdy temperatura zaczyna samoistnie się obniżać. W następnym etapie wsad można rozdrobnić, a następnie podlega on odgazowaniu w temp. 200-250 st. C w czasie od 30 do 120 min. Ogrzewanie w reaktorze prowadzi do dekompozycji matrycy polimerowej, w wyniku czego powstaje ciekła i gazowa frakcja węglowodorowa oraz włókno szklane zmodyfikowane na powierzchni warstwą depozytu węglowego.

Otrzymane w ten sposób włókno szklane może być stosowane do otrzymywania kompozytów z polimerami poliolefinowymi - polietylenem, polipropylenem oraz ich kopolimerami (pierwotnymi lub recyklatami). Uzyskane w ten sposób materiały kompozytowe mogą zawierać 10-80 proc. włókien szklanych i posiadają pożądane właściwości mechaniczne. Charakteryzują się również niskim poziomem wchłaniania wody nawet przy dużym stopniu napełnienia.

Dzięki temu rozwiązaniu nie tylko można zredukować koszty wytwarzania nowych materiałów, lecz także uniknąć problemów związanych z odpadami. Jednocześnie parametry materiałów są o ok. 20-30 proc. lepsze niż analogiczne parametry dla kompozytu z handlowym włóknem szklanym, a wodochłonność jest prawie dwukrotnie niższa niż dla kompozytu z handlowym włóknem szklanym.

Z kolei w ramach unijnego projektu HVRCFM ("The conversion of recycled carbon fibre yarn and tape into high value fabrics and materials") realizowanego przez brytyjską firmę Sigmatex opracowano metodę recyklingu włókien węglowych. W efekcie z odzyskanych włókien można uzyskać nowe tkaniny służące do produkcji taśm.

W ramach projektu badano różne źródła włókien węglowych, ostatecznie wybierając luźne, otwarte włókna, stanowiące odpady dobrej jakości. Po wymieszaniu z włóknami żywicznymi uzyskano większe strzępki, z których można wytwarzać przędzę lub taśmę. Następnie uzyskane strzępki można zastosować w produkcji taśm i arkuszy termoutwardzalnych, nieściskanych tkanin termoutwardzalnych oraz tkanin wykonanych z taśmy termoutwardzalnej. Aby zoptymalizować produkcję nowego typu taśmy, zespół projektowy skonstruował specjalną maszynę.

Realizacja projektu pozwoliła uzyskać dwa nowe produkty: nieściskaną tkaninę termoplastyczną o dwóch kierunkach włókien przeznaczoną do stosowania w lekkich kompozytach oraz nieściskaną tkaninę termoutwardzalną o mniejszej zawartości włókien węglowych. Oba materiały mogą z powodzeniem zastępować materiały z nowych włókien węglowych i kompozyty z włókien szklanych. Jednocześnie nowa technologia pozwoli zwiększyć wartość włókien węglowych pochodzących z recyklingu i obniżyć koszty produkcji materiałów kompozytowych.

Prace nad ponownym wykorzystaniem materiałów kompozytowych idą nie tylko w kierunku opracowania nowych technologii recyklingu, lecz także w stronę analizy chemicznej materiałów odpadowych. Ma to znaczenie na przykład w zagospodarowaniu odpadów przemysłu lotniczego, gdzie ważna jest rzetelna analiza chemiczna różnych materiałów, w tym metali i tworzyw sztucznych. W tym celu w ramach projektu LIBSAC ("Laser induced breakdown spectroscopy for identification of aerospace composites") koordynowanego przez holenderską organizację TNO zastosowano w tym celu spektroskopię emisyjną wzbudzaną laserem (LIBS). Zaletą jest w tym przypadku kompaktowy rozmiar urządzeń, znacznie ułatwiający szybką analizę chemiczną materiałów. Ich skonstruowanie było możliwe dzięki zastosowaniu nowej klasy laserów generujących impulsy o wyższej częstotliwości.

W ramach projektu opracowano również bazę danych dotyczących właściwości spektralnych składników kompozytów polimerowych, która może stanowić punkt odniesienia przy szybkiej identyfikacji różnych materiałów, jakie można najczęściej uzyskać poprzez recykling części samolotowych.

Obiecujące rezultaty obecnych inicjatyw w zakresie ponownego przetworzenia wyrobów wykonanych z materiałów kompozytowych wpisują się w postulaty unijnej gospodarki cyrkularnej. Dzięki postępowi w tym zakresie można się spodziewać, iż kompozyty - niezwykle cenne materiały dla wielu gałęzi przemysłu - jeszcze bardziej zyskają na wartości, nie powodując zagrożeń dla środowiska naturalnego.