بازیافت کامپوزیت های پیشرفته

کامپوزیت ها به علت ویژگی های منحصر به فردشان دوام محیطی زیادی دارند و در طبیعت باقی می مانند صنایع کامپوزیت ضایعات مختلفی تولید می کنند که در صورت عدم توجه, می توانند به مشکلی اساسی تبدیل شوند

کامپوزیت ها به علت ویژگی های منحصر به فردشان دوام محیطی زیادی دارند و در طبیعت باقی می مانند. صنایع کامپوزیت ضایعات مختلفی تولید می کنند که در صورت عدم توجه، می توانند به مشکلی اساسی تبدیل شوند. صنایع تولید کامپوزیت در ایالات متحده، سالانه حدود ۵/۵ میلیون تن ضایعات بدون ضرر و حدود ۷/۰ میلیون تن ضایعات خطرناک دارند که هزینه مستقیم حمل و نقل و انهدام این ضایعات سالانه ۵۰ میلیون دلار تخمین زده می شود.

ضایعات کامپوزیتی به روش های گوناگون ایجاد می شوند از جمله تکه کامپوزیت های ناشی از برش لبه قطعات کامپوزیت قالبگیری شده، پودر ناشی از ماشین کاری قطعات و کامپوزیت های پیش آغشته پخت شده در صنعت هوافضا، این پیش آغشته ها، الیاف شیشه، کربن یا کولار بافته یا تک جهته ی آغشته به رزین اپوکسی هستند که به شکل مورد نظر شکل داده شده و سپس تحت فشار و حرارت پخت می شوند. به علت نسبت وزن و استحکام عالی، پیش آغشته ها در صنعت هوا فضا بسیار به کار گرفته می شوند. بهای این مواد برای الیاف کولار حدود ۶۰ دلار در متر مربع و برای الیاف کربن حدود ۷۵ دلار در متر مربع است.

به کار گیری ضایعات کامپوزیت های پیشرفته و مواد پیش آغشته با توجه به توان بالقوه آنها برای بازیافت الیاف تقویت کننده ای همچون کولار، کربن یا شیشه برای تولید مجدد کامپوزیت ها و همچنین عمر تقریباً نامحدود ضایعات دفن شده در طبیعت (که ممکن است مشکل ساز شود) امروزه از اهمیت بسزایی برخوردار است. به طور کلی بازیافت کامپوزیت ها به چهار صورت انجام می شود. این چهار روش عبارتند از :

۱) بازیابی محصول به شکل اولیه آن.

۲) تبدیل قطعات مصرف شده به محصولات جدیدی که ویژگی های فیزیکی و شیمیایی متفاوتی دارند.

۳) روش هایی از قبیل پیرولیز و هیدرولیز که ضایعات را به سوخت یا مواد شیمیایی پایه تبدیل می کنند.

۴) تبدیل ضایعات به انرژی از طریق سوزاندن.

یکی از روش های تبدیل ضایعات به محصولات جدید، آسیاب کردن و به کار گیری آن ها در محصولات جدید است. به کارگیری مواد کامپوزیتی آسیاب شده به عنوان افزودنی در تولید سایر مواد می تواند با دو هدف انجام شود. نخستین کاربرد به عنوان پر کننده است. چون مواد کامپوزیتی پخت شده نسبتاً خنثی هستند، مواد آسیاب شده به عنوان جایگزینی برای پر کننده های معمولی همانند کربنات کلسیم یا سیلیس به کار گرفته شوند.چون این پر کننده ها بهای کمی دارند و این هزینه فرآوری کامپوزیت است که رقم بالایی را تشکیل می دهد، پودر کردن مواد کامپوزیتی برای کاربرد به عنوان پرکننده از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.هدف دوم افزودن مواد کامپوزیتی آسیاب شده به عنوان تقویت کننده است. کارایی مواد کامپوزیتی بازیافتی به عنوان تقویت کننده در افزایش استحکام اجزای قالب گیری شده از اپوکسی در یک طرح پژوهشی مورد توجه قرار گرفته است.

از آنجایی که قیمت تقویت کننده های معمولی به نوعی مانع به کارگیری آنهاست گسترش کاربرد مواد کامپوزیتی بازیافتی به عنوان تقویت کننده ی رزین های پلاستیکی که در حال حاضر از تقویت کننده استفاده نمی کنند (همانند افزودنی های تیسکوتروپ برای چسب ها و درزگیرها)،ضایعات کامپوزیت را به ماده ای خام با ارزش افزوده تبدیل می کند.

در این طرح پژوهشی الیاف کولار و کربن مورد ارزیابی قرار گرفته و کاربرد مواد کامپوزیتی آسیاب شده به عنوان افزودنی ارزان قیمت برای قالب گیری فشاری قطعات از اپوکسی و فوم پلی اورتان سخت بررسی شده است.

هدف مرحله اول این طرح، تحقیق در مورد تجهیزات کاهش اندازه مواد کامپوزیتی ضایعاتی برای پودر کردن آنها بود. چون بعضی از مواد کامپوزیتی جمع آوری شده از برش لبه های قطعات برای بازیافت، تا ۱۲۰ سانتی متر طول و ۶۰ سانتی متر عرض داشتند اولین مرحله خردایش، برش مواد کامپوزیتی به تکه هایی با سطح کوچک تر از ۵ میلی متر مربع بود. مرحله دوم خردایش، کاهش اندازه این مواد کامپوزیتی به الیافی با طول کمتر از ۲ میلی متر بود.

پس از خردایش مواد پیش آغشته ضایعاتی پخت شده یا ضایعات لبه ای، ترکیب هایی با هر دو نوع الیاف (کولار و کربن) با طول های گوناگون و درصدهای مختلف تهیه شد و بر روی آنها آزمایش استحکام انجام شد.

نتایج قطعات اپوکسی ساخته شده از روش قالب گیری فشاری نشان دادند که افزودن یک درصد کولار با طول الیاف کمتر از ۵/۰ میلی متر، استحکام نمونه را در مقایسه با اپوکسی بدون الیاف، ۱۶ درصد افزایش می دهد. افزودن یک درصد کربن با طول کمتر از ۵/۰ میلی متر نیز ۲۰ درصد به استحکام نمونه ها اضافه کرد.

این طرح نشان داد که با افزودن کامپوزیت های پیشرفته بازیافتی استحکام هر دو سیستم پلاستیکی (اپوکسی و پلی اورتان) افزایش یافته است. علاوه بر این، آزمایش ها نشان از توان بالقوه ی ایجاد ارزش افزوده در فرآوری کامپوزیت های بازیافتی دارند. ضایعات کامپوزیتی همچنین می توانند در تقویت بتن و بهبود ویژگی های آن کاربرد داشته باشند. اگرچه بتن نرمی و مقاومت کششی کمی دارد ولی پر کاربردترین ماده ساختمانی در دنیاست. علت اصلی رفتار ضعیف بتن در کشش، چقرمگی پایین و وجود ترک های ریز در آن است. لذا بهبود چقرمگی بتن و کاهش اندازه و مقدار ترک ها به بهبود عملکرد آن منجر خواهد شد.

یک روش موثر برای افزایش چقرمگی بتن، اضافه کردن مقدار کمی (معمولاً ۵/۰ تا ۲ درصد حجمی) از الیاف کوتاه به مخلوط بتن در زمان اختلاط است. در بتن تقویت شده با الیاف، هنگام شکست، الیاف پلی روی ترک ها ایجاد می کند که در مقابل رشد ترک و باز شدن آن مقاومت می کند. پس از مطالعات و بررسی های زیاد، گزارش شده است که تقویت بتن با الیاف به صورت قابل ملاحظه ای ویژگی های کششی آن را افزایش می دهد.

پژوهشی در موسسه کامپوزیت ایران انجام شد که در آن از ضایعات مواد کامپوزیتی برای رسیدن به این هدف استفاده شده است. در این پژوهش ابتدا مواد ضایعاتی حاصل از برشکاری و ماشینکاری قطعات کامپوزیتی در کارخانجات مختلف همانند نوریستاپلاستیک (نیپکو) و سدید صبا نیرو به پودر تبدیل شده و با درصدهای وزنی مختلف با مخلوط بتن ترکیب شدند. پس از اختلاط، نمونه های استاندارد کشش، فشار و خمش ساخته شد و مورد آزمایش قرار گرفتند.

نمونه های استاندارد برای آزمایش کشش، سیلندرهای بتنی با قطر ۱۵ سانتی متر و طول ۳۰ سانتی متر و نمونه های استاندارد برای آزمایش فشار، مکعب هایی با طول ضلع ۱۵ سانتی متر و نمونه خمش، دال بتنی با طول و عرض ۸۰ سانتی متر و ضخامت ۸ سانتی متر بودند. اندازه پودرهای مورد استفاده با گذراندن از الک های مختلف به دست آمد. اندازه پودرهای شرکت نیپکو در محدوده ۵۳ میکرون قرار داشت و قطر نزدیک به ۵۰ درصد از ذرات قطعات سدید صبا نیرو بین ۷۵ و ۱۰۰ میکرون، ۴۰ درصد از آنها بین ۵۳ و ۷۵ میکرون و درصد کمی از آنها نیز بین ۴۰ و ۵۳ میکرون بود.

آزمایش های متعددی که روی نمونه های گوناگون با درصدهای وزنی مختلف پودر ضایعات انجام شد نشان دادند که مخلوط کردن ۲ تا ۳ درصد وزنی از این ضایعات (نسبت به اجزای دانه دزشت) با ترکیب بتن، باعث افزایش مقاومت کششی و فشاری بتن از ۱۲ تا ۱۵ درصد می شود.