Longworth公司用于復(fù)合材料回收的DEECOM工藝聲稱可以生產(chǎn)出具有接近原始特性的完整纖維和樹脂回收。
由于當(dāng)今的環(huán)保壓力，不少復(fù)合材料相關(guān)都公司面臨著比以往更大的壓力，需要對使用壽命結(jié)束后的制造部件采取回收或再利用的解決方案，包括無廢料的生產(chǎn)過程或再利用制造廢料的工藝方法。對于復(fù)合材料部件來說，回收問題本來就很復(fù)雜，因為復(fù)合材料部件的制造涉及兩種非常不同的材料組合。是否有可能從成品復(fù)合材料部件中回收纖維和樹脂材料？如果可以，它們表現(xiàn)出什么樣的特性，它們可以用來做什么？如果不能，如何回收整個復(fù)合材料部件，它們的特性和用途又是什么？
迄今為止，回收復(fù)合材料部件和材料的最常見方法是熱解（基于火焰）或熱解（基于熱量）、溶解（基于化學(xué)）、水解（基于水）或某種類型的機械加工（切碎或撕碎整個部件以重新使用等）。大多數(shù)這些過程的最終產(chǎn)品是機械性能降低的纖維（樹脂已被燒毀或化學(xué)熔化），適合切碎后作為填料，在無紡布、墊子或注射成型、噴涂應(yīng)用中再使用。
Longworth公司（前身為英國B&MLongworth公司）是一家承諾采用新方法回收接近原生級的纖維和樹脂的公司。該工藝被稱為DEECOM，使用高溫蒸汽和壓力來分離和回收相關(guān)材料。經(jīng)過十年的開發(fā)和技術(shù)驗證，該公司準(zhǔn)備在今年推出用于復(fù)合材料回收的DEECOM工藝并進(jìn)行商業(yè)化。
發(fā)展中的DEECOM工藝：從零件清潔到復(fù)合材料回收
自20世紀(jì)70年代以來，Longworth已經(jīng)為聚合物制造行業(yè)提供了清潔解決方案。幾十年來，從金屬制造部件（如不銹鋼細(xì)網(wǎng)過濾器）中清洗聚合物的主要解決方案是采用三甘醇（TEG）等溶劑。在21世紀(jì)初，公司董事長約翰·諾里斯、兒子彼得·諾里斯和Longworth團隊意識到，公司清潔系統(tǒng)中使用的許多化學(xué)品對客戶來說難以妥善處理，如果釋放到水源或其他不適當(dāng)?shù)那?，可能會造成危險。該公司決定需要有一種方法，在不使用刺激性化學(xué)溶劑的情況下，從金屬部件上清除固化的聚合物熔體。
Longworth公司在2004年獲得專利的工藝被稱為DEECOM（意為 "減壓"），它是使用高溫蒸汽和加壓室的組合來清洗鋼鐵中的聚合物，不使用任何化學(xué)品，只使用水和蒸汽能量。
據(jù)Longworth公司的主管希爾說，這個過程比預(yù)期的效果要好。Longworth原本以為DEECOM能夠?qū)⒁恍┚酆衔飶慕饘偕先诨?，這意味著需要更少的TEG或其他化學(xué)品來去除任何剩余的材料。"但它完全清潔了它，而且對鋼絲網(wǎng)沒有任何損害。"希爾說，"我們開始將DEECOM應(yīng)用于整個行業(yè)，并對結(jié)果相當(dāng)滿意。20年來，它給我們帶來了競爭優(yōu)勢，客戶遍布全球。"
2007年，英國曼徹斯特大學(xué)的Peter Millington教授參觀了Longworth的工廠，讓該公司看到了DEECOM在復(fù)合材料回收方面的潛在應(yīng)用。"Peter Millington教授說："你們完全忽略了一個事實，那就是這不僅僅是一個清潔解決方案，你實際上是在回收，你正在將聚合物與腔室中的任何其他物質(zhì)分離。"
于是Longworth公司開始與復(fù)合材料行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和原始設(shè)備制造商聯(lián)系，以評估對該技術(shù)的興趣。2011年，該公司開始與波音公司在美國南卡羅來納州查爾斯頓的工廠合作，Longworth使用787飛機的碳纖維復(fù)合材料機身部分進(jìn)行了DEECOM技術(shù)試驗。然后由克萊姆森大學(xué)（美國南卡羅來納州）測試和驗證結(jié)果。雖然結(jié)果尚未公開，但希爾說這是Longworth第一次意識到它的工藝在復(fù)合材料回收方面的效果有多好，生產(chǎn)出的最終纖維的機械性能可與原始的航空級碳纖維媲美。
Longworth仍然是復(fù)合材料行業(yè)的新手，在接下來的幾年里，Longworth在內(nèi)部進(jìn)行研發(fā)，測試和優(yōu)化其DEECOM工藝版本，專門用于復(fù)合材料回收。該公司在2012年申請了DEECOM作為廢物回收工藝的專利，這在2017年首次在中國被接受，隨后在美國和歐洲等其他地區(qū)被接受。
最近，希爾說，Longworth一直在努力進(jìn)一步驗證其工藝的結(jié)果，通過英國政府資助的項目以及與大學(xué)和研究機構(gòu)（如英國布里斯托爾國家復(fù)合材料中心（NCC））的合作。"當(dāng)你帶著非常創(chuàng)新的東西進(jìn)入時，當(dāng)你與已經(jīng)投資和依賴了幾十年的技術(shù)對抗時，你需要來自行業(yè)的額外驗證。"她說，"這不再是一個相信我們話的情況了。"
DEECOM工藝流程
DEECOM系統(tǒng)的第一次迭代被設(shè)定為批量處理廢物。要回收的部分被送入一個大型壓力容器的頂部。飽和蒸汽通過管道進(jìn)入DEECOM的加熱系統(tǒng)，過熱到至少400℃（752℉），然后進(jìn)入壓力容器。當(dāng)過熱蒸汽仍然存在時，容器的壓力至少比大氣壓力高0.5巴，并經(jīng)歷多個壓縮和減壓循環(huán)——循環(huán)的頻率和強度取決于每種材料的特性。在實踐中，每次減壓都會從纖維中分離出更多的樹脂。
樹脂，現(xiàn)在是氣體或液體，取決于樹脂的類型和它對這個過程的反應(yīng)，然后下降到一個收集區(qū)，而纖維則盡可能保持完整，希爾說："它沒有彎曲、損壞或燒毀，它實際上只是被清洗了。它的狀態(tài)與你把它放進(jìn)去時完全一樣，長度和一切都一樣。" 唯一的其他廢物輸出是通過煙囪排出的蒸汽。如果需要的話，可以捕捉這種蒸汽用于熱回收，從而進(jìn)一步減少該工藝的環(huán)境足跡。整個過程的時間取決于特定部件所需的壓縮/減壓循環(huán)次數(shù)。
三個關(guān)鍵的工藝參數(shù)是溫度、壓力和時間——而這些參數(shù)會因每種材料的組合和被加工的零件或材料的尺寸而改變。"這三個參數(shù)的任何組合都會得到非常不同的結(jié)果。我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使是一個細(xì)小程度的差異也能完全改變結(jié)果。"希爾說。
在連續(xù)系統(tǒng)中，固化或未固化的部件通過螺桿不斷地被送入系統(tǒng)，在那里它們被移過一系列的腔室，按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行壓縮和減壓。希爾說，對于需要回收大量復(fù)合材料廢料的回收設(shè)施來說，這種更有效的選擇將是理想的。該系統(tǒng)被認(rèn)為能夠與傳統(tǒng)的熱解系統(tǒng)相提并論，同時對環(huán)境的影響更小。不需要連續(xù)進(jìn)料能力的生產(chǎn)設(shè)施可能更適合于批量選項。
DEECOM工藝通常與材料無關(guān)；然而，所有類型的復(fù)合材料回收面臨的挑戰(zhàn)是，該工藝高度依賴于特定樹脂和特定部件的化學(xué)成分。希爾說："每當(dāng)樹脂供應(yīng)商調(diào)整一些東西，或改進(jìn)一種固化劑時，都會改變其加工方式。為了在這個行業(yè)內(nèi)實現(xiàn)完全的循環(huán)性，我們需要與樹脂生產(chǎn)商合作，接受'為拆卸而設(shè)計'的精神，而不是讓可持續(xù)性和競爭優(yōu)勢發(fā)生沖突。"
因為Longworth希望將DEECOM的碳足跡保持在盡可能小的范圍內(nèi)，該公司繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，以優(yōu)化工藝，以便僅使用所需的能源和水。希爾解釋說："因為它是一個批處理過程，有時我們不確定它是否在一小時內(nèi)完成并準(zhǔn)備好，或者是否還需要三個小時或其它情況。我們有學(xué)術(shù)伙伴在做項目，以研究魔法發(fā)生在周期的哪個階段。"如果客戶選擇使用可再生能源為設(shè)備供電，如果客戶捕捉并重新利用過程中釋放的熱量和能量，該過程也可以變得更加可持續(xù)。未來的研發(fā)將著眼于是否可以使用再利用或淡化的海水。
市場投放和持續(xù)研發(fā)
通過與全球復(fù)合材料行業(yè)設(shè)備供應(yīng)商CygnetTexkimp（英國）的新合作，Longworth計劃在2022年第二季度開始銷售DEECOM設(shè)備。將提供三種通用尺寸的批量設(shè)備和一個連續(xù)設(shè)備選項，希爾指出，每個設(shè)備最終都會根據(jù)客戶的需求而有所不同。
該公司預(yù)計，該技術(shù)對希望回收和再利用自己生產(chǎn)的廢料的制造商，以及尋求更清潔、大規(guī)模解決方案的復(fù)合材料回收商來說，顯示出最大的潛力。希爾指出，購買DEECOM系統(tǒng)的一個關(guān)鍵是考慮到再生纖維的用途。例如，在片狀模塑料（SMC）中使用切碎的纖維的公司可以在DEECOM的再生碳纖維（rCF）中節(jié)省成本。正在進(jìn)行的生命周期分析（LCA）項目正在執(zhí)行以確定其他應(yīng)用程序。
清潔、完整的碳纖維
這些顯微鏡圖像顯示，回收的 X 射線片中的碳纖維在 DEECOM 處理后沒有殘留物
對于回收商來說，DEECOM可以替代熱解，也可以與熱解同時使用。希爾說，從目前顯示的結(jié)果來看，Longworth樂觀地認(rèn)為，DEECOM可以幫助纖維在其性能降低之前被重復(fù)使用兩到三個生命周期。然而，她承認(rèn)，Longworth的系統(tǒng)只是眾多選擇中的一個，理想的解決方案可能取決于材料。
此外，Longworth正在尋求與對回收纖維和樹脂感興趣的客戶合作。"大多數(shù)人不希望我們回收樹脂，因為價值在碳中。但我們希望看到的是有人真正對回收樹脂感興趣，因為這給我們帶來了真正的循環(huán)，這也是創(chuàng)新的重點，"希爾說。與纖維一樣，再生樹脂的價值將取決于原生樹脂的價值，因此，高性能和航空級樹脂在初期將最具吸引力。
醫(yī)療X射線板回收
這些預(yù)浸料碳纖維X射線板在通過DEECOM工藝處理之前（左圖）和之后（右圖）顯示，幾乎完好無損
同時，Longworth將繼續(xù)致力于發(fā)展DEECOM。例如，該公司參與了多個項目，以了解全部價值并評估再生纖維和樹脂的使用情況。"我們知道纖維80-100%干凈且不含樹脂。我們知道我們可以根據(jù)需要保留上漿或去除上漿。我們不知道的是，就商業(yè)價值而言，這些用途中哪些是最可行的，哪些是最低碳的，可以作為那些真正不需要使用原生纖維并支付溢價的人的替代品。"
希爾還參與了英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會（BSI，英國倫敦）委員會編寫新的標(biāo)準(zhǔn)，以允許英國采用新型回收工藝，因為DEECOM并不直接屬于熱解、溶解或水解等其他類型的回收。
希爾承認(rèn)，還有很多工作要做，但她確信DEECOM可以在推進(jìn)復(fù)合材料回收方面發(fā)揮作用。她說，"對于復(fù)合材料來說，整個行業(yè)似乎已經(jīng)準(zhǔn)備好了一些新的創(chuàng)新。整個行業(yè)知道它不應(yīng)該熱解所有的東西或填埋所有的東西，也知道世界范圍內(nèi)的碳纖維短缺，并將繼續(xù)存在。人們對更多的復(fù)合材料回收有興趣，對它有渴望，但它需要在商業(yè)上有意義。該行業(yè)能夠找到穩(wěn)定的、高質(zhì)量的回收碳纖維的用途越多，通過減少對原生纖維供應(yīng)鏈的壓力，它將變得更便宜和更容易獲得。對于采用這種技術(shù)在現(xiàn)場轉(zhuǎn)化自己的廢物的制造商來說，他們將有效地免費獲得高品位、穩(wěn)定的再生原料。這是一個不需要考慮的問題"。
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