Ученые обнаружили способ переработки стеклопластика без ухудшения его механических свойств. Это открытие позволит продвинуться к более экологичному производству деталей автомобилей, самолётов, морских судов и спортивного оборудования, которые сегодня заканчивают жизнь на свалках.
Исследование, проведенное учеными Сколтеха, опубликовано в журнале Composites Communications.
Стеклопластик, углепластик и другие армированные полимерные композитные материалы представляют собой укреплённый волокном пластик разных видов. В частности, различают термореактивные и термопластичные композиты. И те и другие производятся при высокой температуре, но в первых при застывании происходит необратимая химическая реакция, а вторым можно при желании придать новую форму путём повторного нагрева, то есть возможна переработка.
Учёные Сколтеха проверили, как многократная переработка детали из термопластичного композита влияет на её механические свойства. Для этого они использовали полипропиленовые стержни, армированные стекловолокном, которые были изготовлены в рамках другого исследования. Стержни нагрели и спрессовали в плоские плиты (первый цикл переработки), которые затем четырежды нарезали на полоски, нагревали и снова прессовали в плиты. Прочность и эластичность изделий каждого из пяти «поколений» замерили в ходе механических испытаний.
Изображение. Общая схема исследования: стержни из стеклопластика методом горячей формовки превращают
в плоские плиты, которые затем неоднократно разрезаются и снова прессуются в плиты. Влияние такой
переработки на свойства материала отслеживается на каждом этапе. Источник: Валентина Кравцова и
др./Composites Communications
Мало того, что механические характеристики в конечном итоге ухудшались не столь заметно, как мы ожидали; оказалось, что иногда переработка даже их улучшала, — Улучшение свойств отмечалось
на первом цикле переработки, когда форма изделия менялась со стержня на плиту, а дальше характеристики незначительно портились при дальнейшей переработке плит в плиты.
- Валентина Кравцова, первый автор исследования, выпускница магистратуры «Передовые производственные технологии» Сколтеха
Учёные объясняют такие довольно обнадёживающие результаты исследования выбором оптимальной технологии переработки.
Принципиально важно сохранять при переработке длину армирующего волокна. Мы резали плиты на полоски параллельно направлению волокон и за счёт этого не теряли длину волокна. А если плиты резать или дробить произвольным образом, как это обычно происходит, каждый цикл переработки будет сопряжён с заметным снижением средней длины волокна и, как следствие, ухудшением механических характеристик.
- Александр Сафонов, доцент Центра технологий материалов Сколтеха, руководитель исследования
Что касается химического состава материала и его термических свойств, например температуры плавления, их тоже контролировали на разных стадиях эксперимента — переработка не отразилась на этих характеристиках.
Результаты исследования дают основания рассчитывать, что при наличии соответствующего регулирования плохо поддающиеся утилизации термореактивные композиты могут постепенно вытесняться термопластичными аналогами. Последние смогут получить вторую жизнь без заметной потери качества, хотя степень влияния горячей формовки на механические характеристики переработанных изделий будет зависеть от соблюдения технологии и качества исходного сырья.
Вероятно, сравнительно простым первым шагом могло бы стать применение горячей формовки прямо на производстве к только что изготовленным изделиям с браком: из них можно тут же получить детали другой формы с надлежащими характеристиками. Аналогичная стадия в нашем эксперименте — прессование стержней в плиты. Следующий шаг — переработка товаров, отработавших свой срок службы, вместо их захоронения на свалке, куда сейчас попадают термореактивные полимерные композиты.
- Кирилл Минченков, аспирант программы «Математика и механика» Сколтеха, соавтор статьи.
Фото на заставке: Обломок корпуса каяка. Такие детали изготавливают из полимерных материалов, в том числе укреплённых волокном. Источник: Сколтех
Нет комментариев