CN105216136A - 脉冲功率再循环含增强物和基体的复合材料的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于再循环碳纤维(5)的装置,该装置包括两个金属轨道(1、2),碳纤维(5)被用于在所述两个金属轨道之间伸展;以及电流发生器(3),所述电流发生器的端子与两个金属轨道(1、2)相连或用于与两个金属轨道(1、2)相连。当碳纤维(5)被布置在所述轨道(1、2)上时,该轨道(1、2)在短路时形成电极(1、2)。发生器(3)适用于在这两个轨道(1、2)之间输出功率大约为MW或大于MW的至少一种电流脉冲,该至少一种电流脉冲使得纤维与其树脂分离。本发明还提出了一种利用该装置实施的再循环方法。
Description
技术领域
总体来讲,本发明涉及增强物/基体基复合材料的再循环。
具体地,本发明提出了一种装置和方法,该装置和方法通过将强脉冲电流注入穿过复合材料来再循环增强物/基体,并且本发明可有利地被用于再循环碳纤维基复合材料中。
背景技术
已知的是,特别就强度、杨氏模量和密度而言,碳纤维具有特别有益的机械性质。因此,碳纤维越来越多地被用在航空或相关领域(例如,制造大跨度且低重量的风力涡轮机叶片)中或被用于制造运动器材。
2012年,全球碳纤维生产能力为111785吨。到2016年,该产量将达到156845吨,并且到2020年,将达到169300吨。实际产量仅为这些标称能力的一部分,其中,在2012年,估计实际产量为标称能力的60%;在2016年,估计为68%;并且在2020年,估计为72%。与此同时,在2012年,对碳纤维的需求是47220吨。到2016年,该需求将达到74740吨,并且到2020年,将达到102460吨。这种产能过剩的情况将有助于维持有竞争力的价格。碳纤维复合材料的基体为72%环氧树脂(来源:PlusCompositesConsortium)。
在2012年,16%的需求来自航空,62%的需求来自工业,并且其余的需求来自于其它部分(消费者)。
因此,碳纤维再循环正在成为重大挑战。
复合材料具有其组分自身所不具备的性质:强度、轻质、隔热、新的化学性质和机械性质等。
当然,该性能源自于基础材料的性质(增强物、基体和它们的相容性)。该产品适用于创新,并且能够开发新的市场。
因此,复合材料由增强物和基体组成。
增强物赋予复合材料机械强度,并且可为碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、铝或钛。
在复合材料制造中通常使用的基体是环氧树脂,并且通常也可使用碳、聚酯、乙烯基酯或聚酰胺。热固性或热塑性基体使得能够将力传递至更刚性且强度更高的增强物。
在航空中,使用高性能增强物以及同等高性能的基体。
然而,时至今日已知的再循环/再利用复合材料的主要技术并不能完全令人满意。
具体地,焚烧技术并不能回收材料;焚烧技术产生有毒气体并且充其量能够再利用能量。
超临界条件下的热解技术(在受控的温度和压力下,废弃物的热处理)和溶解分解技术(水、甲醇等)能够分解树脂或分离树脂和纤维。尽管如此,这些技术尤其是耗能的。此外,从500℃开始,纤维的表面开始分解,并且因此降低其机械性质。
本申请人提出了一种再循环方法(尤其是在本申请人的专利FR2942149中),该再循环方法可被用于各种类型的复合材料,并且尤其用于碳纤维。该方法采用数个连续的处理阶段:
产生机械震荡波的间接效应阶段;
利用电弧产生电磁脉冲的直接效应阶段,该电磁脉冲穿过放置有待再利用的材料的浴;以及最后
微波干燥的阶段。
发明内容
本发明的总体目标是提出一种再利用和处理增强物/基体型的复合材料(尤其是碳纤维,但不限于此)的技术,该技术简单、可靠、低污染且低能耗。
为此,本发明提出一种再循环装置,该装置包括两个金属轨道,待再循环的复合材料将在这两个金属轨道之间伸展;以及电流发生器,所述电流发生器的端子与这两个金属轨道相连或旨在与这两个金属轨道相连。
当待处理的复合材料被布置在所述轨道上时,所述轨道还在短路时形成电极。
上述发生器适用于在这两个轨道之间输出功率大约为MW或大于MW的至少一种电流脉冲,该至少一种电流脉冲允许增强物与其基体分离。
本发明进一步提出了一种利用该装置的再循环方法。该方法包括以下步骤:
i.将一定量的待再循环的增强物和基体型复合材料放置在所述装置的两个轨道之间;
ii.控制所述装置的发生器,使所述发生器在这两个轨道之间输出功率大约为MW或大于MW的至少一种电流脉冲,该至少一种电流脉冲使得所述增强物与所述增强物的基体分离。
附图说明
在阅读下文的详细描述以及参考以非限制性实例方式给出的所附附图时,本发明的其它特征、目的和优点将更加明显,并且其中:
图1为根据本发明的可能实施方式的装置的可能实施方式的示意图;
图2为示出图1中装置的形成电极的轨道(electrode-formingrail)上的碳纤维布置的截面图;
图3示出了图1中装置传递的电压脉冲的实例;
图4示出了能够实施本发明的方法的各个步骤;
图5示出了使得能够连续处理待再循环纤维的机械系统的实例;
图6a至图6c示出了运行图5中的系统的各个步骤。
具体实施方式
图1中示出的再利用装置包括:两个金属轨道1和2,这两个金属轨道1和2形成两个电极;以及电流发生器3,该电流发生器3被用于在两个轨道1和2之间产生高功率脉冲。
两个轨道1和2以距离彼此特定的距离延伸。这两个轨道1和2被用于通过待再循环的增强物/基体型复合材料(例如,碳纤维材料5)来形成短路。
所述轨道1和2可为直的且平行延伸。它们也可以其它构造来延伸,例如它们可具有不同间隔的不同区域以接受不同长度的待再循环的纤维/材料。
在轨道1和2之间也可设置有制动器4以使装置安全。
两个电极1和2之间的间隔也可从几厘米变化至约2m,复合材料5能够在这些电极之间沿任何方向定向。读者将知晓的是,穿过纤维的脉冲电流越大,能够处理的纤维(更常见的,复合材料)长度越长。
可提供外部处理构件来使得能够将待再循环的材料5放置在轨道1和2上,无论该待再循环的材料5在轨道1和2上的定向任何。
为了产生非常高电流的放电,发生器3包括高电压电容器,其在不需要高供给功率的情况下,能够存储电能。从而,所存储的能量通过快速开关系统来输出。
电流发生器3产生图3中所示类型的方形或阻尼正弦形的正极性或负极性的电流脉冲。
这些脉冲具有大约MW,或者甚至大得多(在106和1014W之间)的功率。
例如,它们对应于20kV至200kV的范围内的电极1和2之间的最大电压。
脉冲的平均持续时间约为50μs。
放电频率(对分离现象无任何重大影响的先验)在15kHz和300kHz之间。
根据发生器的构造,轨道1和2之间的电流范围从10kA至100kA。
此外,调整布置在电极1和2上且被同时处理的复合材料5的量以允许该处理尽可能地有效。该量与穿过待再循环材料的电流是密切相关的。在复合材料的情况下,例如,纤维5中的电流密度必须大约为104A/cm2或大于104A/cm2,以通过单次放电分离纤维和其树脂。当电流密度不足时,则需要数次放电。
由于集肤效应,电流倾向于绕外周流动。然而,当电流太高时,流入纤维内部的电流量增加。在实验中,当纤维中心处的电流超出特定值时,观察到纤维/树脂分离。随后,脉冲电流穿过所有纤维束。
通过对实验得到的纤维/树脂分离结果和利用QuickfieldTM软件程序模拟计算的纤维内的电流密度进行对照,观察下列能量比:
对于相同的纤维截面,放电的峰值电流越大,结果越好。此外,存在一电流密度阈值,在该值之下,则不会发生分离现象,或不会得到令人满意的分离现象(在该情况下,对于碳纤维为300A/mm2)。
分离现象根据待处理纤维的横截面而发生,随后,用于分离所需的放电次数随着待处理纤维的长度成比例地增加。
在上表中,利用下式来计算流经纤维横截面的电流密度Jmax:
Jmax:电流密度(A/mm2)
I放电:峰值电流(安培)
S:横截面(mm2)=宽度(mm)×高度(mm),连接至电极1和2的导电横截面。
从而,所得到的Jmax值使得能够预计纤维/树脂分离的难易度,并且能够了解用于处理给定的纤维截面将需要的脉冲电流如何。
应当注意的是,对于等量的处理的纤维,当横截面相对于长度越小时,能量平衡越好。
在实验中,还可知晓的是,当纤维被压实时,即,当宽度接近于高度时(方形横截面的纤维),分离得到了改善。
穿过纤维束的电流随后使得能够从碳纤维中抽取树脂,该纤维束被捕获在电极1和2上,而树脂本身被释放并且能够被回收。
还提供了绝缘塑料材料的保护性外壳6。
该外壳6具有数种功能:
保护使用者,假如装置内部施加有高电压,则该外壳对于操作者是必需的安全部件。
收集纤维沉积物,因为能注意到树脂在整个外壳6的壁上再沉积。
在处理期间利用牛顿流体或非牛顿流体,所以能够例如在流体或惰性气体中进行操作。
图4示出了凭借已经描述的类型的装置来再循环处理的各个步骤。
在图4中的起始步骤(步骤a)中,操作者将发生器3的两个端子连接至两个电极1和2。
利用用于此目的的处理构件,不考虑纤维所采用的定向,他或她将碳纤维5放置在电极1和2之间,从而它们能够在电极1和2之间产生短路(步骤B)。一旦纤维5处于适当的位置,操作者即可打开发生器3,发生器3充电并且输出强电流脉冲,该强电流脉冲将允许树脂与碳纤维的分离(步骤C)。
最后,在最终的步骤中,本方法包括回收树脂和纤维(步骤D)。为此,在电流通过之后,操作者回收散落在外壳6中的树脂,以及回收保留在电极1和2上的纤维。
图5以及图6a至图6c示出了机械系统的实例,该机械系统能够用在参照前述附图所设想的类型的装置中,用于处理成卷的碳纤维5的网T,或更常见的具有增强物和基体的复合材料。
该系统并入有用于形成电极的两个轨道1和2,在这两个轨道上,待再循环的材料网是铺展的。除了轨道1和2之外,两个夹持块7和8被提供用于抵靠(closeon)在这两个轨道1和2上,以在电弧处理期间,使网在两个轨道之间保持伸展。这两个夹持块7和8尤其被安装在支撑结构9上,而该支撑结构9本身被安装在升降柱(jack)10上。该升降柱10能够受控地使夹持块7和8抵靠在轨道1和2上,并且因此夹持住网,或者相反地,能够升高所述夹持块7和8而使其离开轨道1和2,并且释放网T。
该系统还包括供应辊11和在轨道1和2端部的齿轮马达12。供应辊11被安装在两个垂直的导向件13之间,使得其在其自身重量下,在上位置和下位置之间铺展,并且从而当升高夹持块7和8时,带动网T。与此同时,齿轮马达12驱动辊14,而在该辊14上,网T自身绕回,随后产生使辊11卷起的效果。
该系统的操作如下。
装载成卷的网T,使其经过轨道1和2、供应辊11和辊14,随后伸展。升降柱10向下带动结构11,并且使夹持块7和8抵靠在轨道1和2上,以夹持所述轨道1和2之间的网T(图6a)。
随后在两个电极1和2之间产生一个或多个电流脉冲以再循环网T。
在处理之后,再次升高夹具7和8。随后辊11通过自身重量而铺展且带动网T。然而,在上游空盘中,可提供碾碎辊17来实现良好的网拉伸。
当通过传感器15在下位置进行检测时,升降柱10向下带动结构11并再次使夹具7和8抵靠在轨道1和2上。随后运行齿轮马达12以将网T缠绕在辊14上。当传感器16被激活时,则停止运行,同时将辊11返回至上位置。
Claims (12)
1.一种用于再循环增强物和基体型复合材料(5)的装置,其特征在于,所述装置包括:两个金属轨道(1、2),待再循环的材料(5)将在所述两个金属轨道(1、2)之间伸展;以及电流发生器(3),所述电流发生器(3)的端子与所述两个金属轨道(1、2)相连或旨在与所述两个金属轨道(1、2)相连,从而当待处理的材料(5)被布置在所述轨道(1、2)上时,所述轨道(1、2)在短路时形成电极(1、2),所述发生器(3)适用于在这两个轨道(1、2)之间输出功率大约为MW或大于MW的至少一种电流脉冲,该至少一种电流脉冲使得所述增强物与所述增强物的基体分离。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述轨道(1、2)为平行的,和/或具有不同间隔的区域以接受不同长度的待再循环的材料。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述两个轨道(1、2)之间的间隔在10cm和2m之间。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述发生器(3)适用于产生10kA至100kA的电流脉冲。
5.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述发生器适用于在两个轨道(1、2)之间产生平均持续时间大约为50μs的脉冲。
6.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置包括由绝缘材料制成的用于回收所述基体的外壳(6)。
7.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置包括安装在所述两个轨道(1、2)之间的安全火花隙(4)。
8.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述装置包括适用于在形成电极的轨道上铺展的机械系统,并且自动地绕回成卷的待再循环的复合材料网。
9.一种用于再循环增强物和基体型复合材料(5)的方法,其特征在于,所述方法凭借根据前述权利要求中任一项所述的装置来实施,并且所述方法包括以下步骤:
i.将一定量的待再循环的复合材料放置在所述装置的两个轨道(1、2)之间;
ii.控制所述装置的发生器,使所述发生器在这两个轨道(1、2)之间输出功率大约为MW或大于MW的至少一种电流脉冲,该至少一种电流脉冲使得所述增强物与所述增强物的基体分离。
10.根据权利要求9所述的再循环方法,其特征在于,所述待再循环的材料为碳纤维。
11.根据权利要求9所述的再循环方法,其特征在于,峰值电流在所述纤维中产生大于300A/mm2的电流密度。
12.根据权利要求9所述的再循环方法,其特征在于,成卷的待再循环的复合材料网在所述形成电极的轨道上是未卷绕的并且将自动地绕回。
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