c13 - reciclarea materialelor compozite

23
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 1

Upload: silvia-suta

Post on 09-Dec-2015

396 views

Category:

Documents


9 download

DESCRIPTION

compozite

TRANSCRIPT

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