با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت

[P O U R I A]

شرکت آدسو یک سخت کننده (عامل پخت) جدید تولید نموده است که با نام تجاری کلیوآمین شناخته میگردد. با افزودن این سخت کننده به رزین اپوکسی، مشکل بازیافت مواد کامپوزیتی حل میگردد. این محصول جدید به دو صورت مایع و پیش آغشته تولید میشود. شرکت آدسو قصد دارد خواص مکانیکی این سخت کننده را ارتقاء بخشد تا عملکرد آن با استانداردهای زیست محیطی مطابق گردد.
با استفاده از کامپوزیتهای پیشرفته میتوان وسائط نقلیه سبکی تولید نمود و عملکرد آنها را ارتقاء بخشید. به عنوان مثال شرکت بوئینگ اولین شرکتی است که در هواپیما بوئینگ 787 خود از کامپوزیت الیاف کربن/رزین اپوکسی استفاده نمود. به این ترتیب در صنعت تولید هواپیماهای تجاری، تحول بزرگی ایجاد گردید و در حال حاضر پس از سالها تجربه، هواپیماهای تجاری سبکی تولید میشوند که 50-35 درصد آنها را کامپوزیت مذکور تشکیل میدهد. در صنعت خودرو نیز ابتدا در خودروهای سفارشی، تشریفاتی و در خودروهای با کارآیی بالا از کامپوزیتهای پیشرفته استفاده گردید و پس از آن، کامپوزیتهای مذکور به بازار خودروهای عمومی وارد گشتند. مدتهاست که صنایع دریایی نیز در محصولات خود از مزایای کامپوزیتها بهره می برد. در حال حاضر نیز در صنعت مذکور استفاده از مواد پیشرفته ای نظیر رزین های اپوکسی و الیاف کربن در حال افزایش است.
مواد کامپوزیتی از طول عمر بالایی برخوردار میباشند اما مواد اولیه بیشتر آنها تجزیه پذیر نمیباشد. لذا این نوع کامپوزیت ها قابل بازیافت نیستند. ضمناً از آنجا که مواد اولیه کامپوزیت ها از مواد سنتی گران تر هستند، اگر پس از پایان یافتن عمر مفید کامپوزیتها بتوان آنها را بازیافت نمود و مجدداً از آنها استفاده کرد، هزینه تولید کامپوزیتها به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.


مراحل بازیافت کامپوزیتها
برای بازیافت کامپوزیتها از چندین روش استفاده میشود. با این وجود بیشتر کامپوزیتها پس از پایان یافتن عمر مفید خود راهی محل دفع زباله ها میگردند یا آنها را در کوره میسوزانند. یکی از راههای بازیافت کامپوزیتها استفاده از "روش بستر" سیال است.

در این روش، زمینه پلیمری کامپوزیت هنگام تزریق به بستر سیال دما بالا، تجزیه شده و این امر منجر به آزاد شدن الیاف و پر کننده میگردد. آنگاه توسط جریان گاز، مواد آزاد شده، از بستر خارج میشوند. روش "بستر سیال" تنها روش صنعتی بازیافت کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف کربن میباشد. در روش مذکور از دو فرآیند “قبل از خرد شدن” و” پیرولیز در دمای بالا “(حدود 550 درجه سانتیگراد) استفاده میشود. لازم به ذکر است که پیرولیز یا گرما کافت، یک واکنش شیمیایی گرماگیر است که طی آن مواد آلی در اثر گرما ودر غیاب اکسیژن و یا عناصر هالوژنی تجزیه شده و به مواد ساده¬تری تبدیل میشوند. در این فرآیند برگشت ناپذیر، ساختار فیزیکی و شیمیایی ماده همزمان با هم تغییر میکنند. الیاف کربنی که با روش “بستر سیال” بازیافت میشوند، معمولاً کوتاه هستند و بیشتر خواص مکانیکی خود را نیز از دست داده اند. روش دیگر بازیافت کامپوزیتها، “استخراج با سیالات فوق بحرانی” است. با این روش، الیاف کربن بازیافت شده قسمت اعظم استحکام و سفتی اولیه خود (در برخی موارد 99%) را حفظ میکنند. لازم به ذکر است که سیالات فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی مانند گازها (نفوذپذیری بالا و گرانروی کم) و از نظر قدرت حلّالیت، شبیه حلال-های مایع هستند. روش “استخراج با سیالات فوق بحرانی” در فشار بالا (حداکثر تا 22 مگاپاسکال) اجرا می-گردد. ضمناً برای اجرای این روش، به دمای بالایی (450-200 درجه سانتیگراد) نیاز است. در چنین دمای بالایی، حلال، سیال فوق بحرانی نام دارد. یکی از چالش هایی که صنعت کامپوزیت با آن روبرو می باشد ، این است که هنوز روش علمی پیدا نشده است که با استفاده از آن بتوان در دما و فشار نسبتاً پایین و با حداقل آلودگی ثانویه، کامپوزیت هایی که عمر مفید خود را به پایان رسانده اند را بازیافت نمود. در این مقاله روش تولید سخت کننده شرکت آدسو به تفضیل آمده است. با استفاده از سخت کننده مذکور میتوان نسل آینده کامپوزیتهای قابل بازیافت را تولید نمود.



منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت دوم)

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت دوم)

رزین اپوکسی قابل بازیافت
شرکت مواد پیشرفته آدسو با استفاده از سخت کننده های خود، نوع جدیدی از رزینهای اپوکسی را تولید نموده است که قابل بازیافت میباشند. به این ترتیب از این پس میتوان گرمانرم های تقویت شده با الیاف را بازیافت نمود و به آنها عمری دوباره بخشید. ترکیب شیمیایی رزین مذکور مانند سخت کننده این شرکت میباشد که با نام تجاری کلیوآمین شناخته میگردد. رزین مذکور به دو صورت مایع و پیش آغشته موجود میباشد. رزین های اپوکسی که توسط این سخت کننده، پخت میشوند و کامپوزیتهای این رزینها، تحت فرآیندهای ویژه و نسبتاً بی خطر و دوست دار محیط زیست قرار می گیرند و بازیافت می گردند. لازم به ذکر است که گروه عاملی آمین دار موجود در این سخت کننده، قابل بازیافت است. در مقایسه با روشهای رایج بازیافت، فرآیند بازیافت این رزین به محیط زیست آسیب چندانی وارد نمی کند و با صرف هزینه ناچیزی اجرا میشود. ضمناً رزین اپوکسی بازیافت شده بیشتر خواص مکانیکی خود را حفظ میکند. در حال حاضر از این فناوری برای تولید کامپوزیت الیاف کربن قابل بازیافت لستفاده میگردد اما برای تولید کامپوزیت الیاف شیشه قابل بازیافت نیز میتوان از آن بهره جست.


قاب تلفن همراه
در نمودار شکل 1، ملاحظه میشود که پس از پایان یافتن عمر مفید قاب یک تلفن همراه میتوان آن را بازیافت نمود و مجدداً از آن استفاده کرد.

شکل 1- این نمودار نشان میدهد که چگونه یک قطعه کامپوزیتی قابل بازیافت (قاب تلفن) در مخلوطی از یک حلال آلی و آب که به آن کاتالیست اسیدی اضافه شده است (زیرا حلال آلی با آب مخلوط نمیشود)، تجزیه میگردد.
قاب تلفن همراه مذکور با استفاده از پارچه الیاف کربن و یکی از رزین های اپوکسی شرکت آدسو تولید شده است. این رزین با نام تجاری ریسایکِلوسِت شناخته می گردد. پس از اینکه رزین اپوکسی با استفاده از یک حلال ویژه از کامپوزیت جدا شد، هر سه تکّه پارچه الیاف کربن موجود در قاب بازیافت میشوند و دو مرتبه در تولید قاب تلفن همراه مورد استفاده قرار میگیرند. رزین اپوکسی گرمانرم نیز پس از اینکه توسط حلال از کامپوزیت جدا شد، بازیافت می گردد. پس از شستن حلال و کاتالیست، این رزین به رنگ سفید در می آید و میتوان به عنوان یک ماده افزودنی گرمانرم، در چسب ها و در آمیزه های قالبگیری از آن استفاده نمود.


بازیافت قطعات کامپوزیتی
در شکل 2، طرحی از فرآیند بازیافت قطعات کامپوزیتی ملاحظه می گردد. به عنوان مثال پس از پایان یافتن عمر یک خودروی کامپوزیتی، بخشهای مختلف آن که با استفاده از کامپوزیت الیاف کربن تولید شده اند، جدا می¬گردند و در وان بازیافت قرار می گیرند. سپس دمای وان را به 160-120 درجه سانتیگراد می رسانند. قطعات کامپوزیتی خودرو به مدت 6-4 ساعت و تحت فشار اتمسفری، داخل وان باقی می مانند. در این مدت رزین زمینه کامپوزیت کاملاً در حلال موجود در وان حل می شود و از الیاف کربن جدا می¬گردد. سپس الیاف کربن بازیافت میگردد. میتوان باقیمانده حلال را خنثی سازی کرد. رزین هم به صورت یک ماده جامد سفید رنگ در وان ته نشین می گردد.




منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت

 

[P O U R I A]

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت سوم)

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت سوم)

شرکت آدسو برای تولید نسل دوم سخت کننده خود که با نام تجاری کلیوآمین شناخته میگردد، برنامه های تحقیق و توسعه مبسوطی را اجرا نمود. اما هنوز برای نشان دادن خواص مکانیکی سخت کننده های خود، نمودارهای مربوط به نسل اول این محصولات را ارائه میدهد. نسل اول سخت کننده های این شرکت با نام تجاری ای سی وی-1001 شناخته میگردد.
سخت کننده کلیوآمین ای سی وی-1001 یک دی آمین آلیفاتیک مایع است که از گرانروی پایینی برخوردار می باشد و در فرآیندهای تر (آغشته شدن الیاف به رزین) نظیر قالبگیری تزریقی رزین، پالتروزن و پیچش الیاف مورد استفاده قرار میگیرد. این محصول در آزمایشگاه مقیاس کوچک شرکت آدسو تولید شد و خواص فیزیکی آن در جدول 1 ملاحظه میگردد. لازم به ذکر است که در آزمایشگاه مقیاس کوچک، کمیت های کوچکی از ماده تولید میشوند تا روی آنها تحقیقات صورت بگیرد. به علاوه در این آزمایشگاهها طبق درخواست مشتری، ماده مذکور آزمایش میشود تا اطمینان مشتری جلب گردد.


لازم به ذکر است وزن اِکی والان گرم که در جدول 1 آمده عبارت است از مقداری از هر ماده بر حسب گرم که کارآیی آن در واکنشهای شیمیایی معادل یک گرم هیدروژن میباشد.
خواص مکانیکی یک نمونه از رزینهای اپوکسی شرکت آدسو که از خانواده رزین ریسایکلوست میباشد و با نام تجاری ای اف وی-1001 شناخته میگردد، در جدول 2 آمده است.

 

[P O U R I A]

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت آخر)

با استفاده از رزین اپوکسی قابل بازیافت، طول عمر کامپوزیتهای الیاف کربن افزایش خواهد یافت (قسمت آخر)



دستگاه گرماسنجی روبشی تفاضلی
گرماسنجی روبشی تفاضلی که در جدول 2 به آن اشاره شده است، یکی از انواع تجزیه حرارتی است که در شیمی کاربرد فراوان دارد و برای تعیین تغییرات آنتالپی (مقدار گرمای سیستم در فشار ثابت که واحد آن ژول است) و برای اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه در یک واکنش شیمیایی گرماگیر یا گرمازا به کار می رود.در این روش آزمایشگاهی، ماده نمونه و ماده مرجع را حرارت میدهند. دمای محفظه های نمونه و مرجع به صورت جداگانه و از طریق رایانه، تنظیم میشوند. همانطور که در شکل ملاحظه میگردد، دستگاه گرماسنجی روبشی تفاضلی دارای دو کفه است. روی هر کفه، یک بوته آزمایش قرار دارد. در یک بوته، ماده نمونه و در دیگری ماده مرجع قرار میگیرد. دستگاه طبق برنامه کامپیوتری شروع به گرمادهی می¬کند. سامانه گرمادهی هر بوته از دیگری جداست. اگر ماده نمونه مورد تجزیه، گرماگیر باشد، دستگاه گرمای بیشتری به آن منتقل میکند. با توجه به اینکه دستگاه تنها تفاضل را ثابت میکند، اگر ماده نمونه گرماگیر باشد، قلّه نمودار به سمت پایین خواهد بود. اگر ماده نمونه گرمازا باشد، قلّه منحنی رو به بالا خواهد بود. سطح زیر قلّه، تغییرات آنتالپی نمونه را نشان می دهد که با ظرفیت گرمایی ویژه آن متناسب است. سرعت تغییر دما در دستگاه، بر قلّه های نمودار تأثیر مستقیم دارد. اگر سرعت این تغییرات بالا باشد، همه قلّه ها در دستگاه ثبت نمیشوند و سنجش از دقت لازم برخوردار نخواهد بود. بنابراین لازم است سرعت تغییر دما را در حد امکان کم انتخاب کرد تا همه قلّه های مورد نظر ثبت شوند. به علاوه، سرعت بالای افزایش دما سبب می گردد که قلّه ها جابجا شوند.
شرکت آدسو رزین دیگری به نام اپوکسی 128 تولید نموده است که طی دو مرحله، پخت می گردد. این شرکت با استفاده از رزین دو جزئی اِی اِف وی-1001 که توسط شرکت هِنگشِن تولید شده است، با استفاده از پارچه الیاف کربن k6 شرکت هِنگشِن و با فناوری قالبگیری تزریقی، ورق های کامپوزیتی تولید نموده است که برای روکش کردن سطوح به کار می روند. ورق های مذکور یکبار به مدت 12 ساعت و در دمای 25 درجه سانتیگراد و بار دیگر به مدت 16 ساعت و در دمای 50 درجه سانتیگراد پخت می گردند. جدول 3 خواص مکانیکی ورق پلاستیک تقویت شده با الیاف کربن که بر پایه سخت کننده اِی اِف وی-1001 میباشد را نشان میدهد. توضیح اینکه پارچه الیاف کربن به کار رفته در این روکش، از نوع دو جهته است که دارای طرح جناغی (خطوط مورّب که به صورت موازی با یکدیگر قرار دارند و شکل عدد 7 را به وجود می آورند) میباشد. در این پارچه از الیاف کربن با تاو k6 استفاده شده است که استفاده از آن رایج میباشد. وزن ورق روکش مذکور 285 گرم بر متر مربع است و ضخامت آن 2 میلیمتر میباشد.



سخت کننده قابل بازیافت
در آزمایشگاه شرکت آدسو، رزین اپوکسی و ورق این شرکت که بر پایه سخت کننده اِی سی وی-1001 تولید شده است، آزمایش های زیادی را پشت سر گذاشتند تا اطمینان حاصل گردد که در این محصولات و در فناوری تولید آنها استانداردهای بازیافت کاملاً رعایت گردیده است. برای اجرای آزمایش های مذکور ابتدا هر دو جزء رزین که در حضور سخت کننده اِی سی وی-1001 پخت گشته بودند، در وان بازیافت قرار گرفتند. این وان حاوی یک کاتالیست اسیدی بود که در یک حلال آلی آبی حل شده بود.

​

برای اینکه مراحل بازیافت کاملاً مشهود باشد، آزمایشگاه شرکت آدسو با استفاده از 4 لایه پارچه الیاف کربنk12 و سخت کننده اِی اِف وی-1001 و با فرآیند چیدمان دستی، ورق¬های روکش را تولید نمود. ورق ها به مدت 2 ساعت در دمای 50 درجه سانتیگراد پخت شدند آنگاه به مدت 2 ساعت دیگر در دمای 125 درجه سانتیگراد مرحله پخت نهایی را پشت سر گذاردند. سپس ورق¬های مذکور در وان بازیافت قرار گرفتند و به مدت 4 ساعت تا دمای 125 درجه سانتیگراد حرارت دیدند. به این ترتیب الیاف کربن و رزین زمینه کاملاً از یکدیگر جدا شدند. همانطور که در شکل 4 ملاحظه می گردد، پارچه الیاف کربن بازیافت شده بافت خود را حفظ نموده است و خواص مکانیکی آن نیز تقریباً بدون تغییر مانده است. پس از ته نشین شدن رزین بازیافت شده نیز می توان با اجرای یک فرآیند خنثی سازی، آن را از بقیه محلول جدا کرد. پس از جدا سازی الیاف کربن و رزین بازیافت شده، روی آنها آزمایش های اولیه ای انجام شد و معلوم گشت که دمای انتقال شیشه ای رزین بازیافت شده (دمایی که بالاتر از آن، پلیمر نرم می شود) حدود 62 الی 93 درجه سانتیگراد باقی مانده است. البته هنوز روی فرآیند بازیافت ورق های روکش شرکت آدسو تحقیق می شود. در شکل5، طیف سنجی مادون قرمز و توزیع وزن مولکولی ورق های مذکور نمایش داده شده است. لازم به ذکر است که توزیع وزن مولکولی یعنی طول زنجیره های داخل یک پلیمر چقدر به هم نزدیک هستند. وقتی می گوییم توزیع وزن مولکولی، پهن است یعنی در این پلیمر، زنجیره ها با هم اختلاف طول زیادی دارند و وقتی می گوییم توزیع وزن مولکولی، باریک است یعنی زنجیره ها از نظر طول به هم نزدیک هستند. طیف سنجی مادون قرمز نیز روشی است که با استفاده از آن مولکول ها و به خصوص گروه عاملی آنها شناسایی می گردند. هر ماده، طیف مادون قرمز مخصوص به خود دارد که نسبت به پرتو مرجع اندازه گیری میشود.

​

نتیجه گیری
شرکت آدسو یک سخت کننده (تسریع کننده واکنش پخت) قابل بازیافت تولید نموده است که با نام تجاریکلیوآمین شناخته می گردد. در پیش آغشته های بر پایه رزین های اپوکسی و در رزین های مایع، از سخت کننده مذکور استفاده می شود. به این ترتیب میتوان رزین و الیاف موجود در کامپوزیت ها را بازیافت نمود و مجدداً از آنها استفاده کرد. با کمک این سخت کننده، فرآیند بازیافت رزین و الیاف به سادگی اجرا می گردد و برای جدا کردن رزین به دمای بالا یا مایعات فوق بحرانی نیازی نیست. کامپوزیت هایی که با رزین های قابل بازیافت تولید می شوند از لحاظ عملکرد شبیه کامپوزیت هایی هستند که با رزین های سنتی غیر قابل بازیافت تولید می گردند. پس از فرآیند بازیافت، رزین جدا می گردد و مجدداً در چسب ها و آمیزه های قالبگیری به کار می رود. الیاف بازیافت شده هم تقریباً تمام خواص مکانیکی اولیه خود را حفظ میکنند و بار دیگر در کاربرد سازه ای (اعضای باربر و غیر باربر) مورد استفاده قرار می گیرند.

منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت