CN111132807A - 回收纤维增强复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回收纤维增强复合材料的方法，其中包含有纤维增强复合材料的物品被送入至一冲击反应器(1)中并被机械应力粉碎，其中所述粉碎方式使得粘附有基体的纤维针作为粉碎产物被生产出来。

Description

回收纤维增强复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种再处理(reprocessing)纤维复合材料的方法，其中含有纤维复合材料的物品被机械载荷粉碎。

背景技术

纤维复合材料含有一种纤维材料作为其基础成分。所述纤维材料通常以叠层结构的形式出现，例如以纺织品、叠层织物或垫子的形式出现。所述纤维材料嵌设于一基体内，所述基体通常包括聚合物材料，例如热固性材料，比如合成树脂。纤维复合材料被处理成型的产品的范围极广，并被用于模制零件或结构部件，如在造船工业和航空航天工业中。此外，风力发电机的转子叶片通常包括由纤维复合材料制成的结构部件。

由纤维复合材料制成的结构部件使用寿命有限。因此，由于材料疲劳等原因，在大约10年后必须更换风力发电机组的转子叶片。然而，当要安装的转子叶片的几何外形不同时，应提前进行更换。所述大量的纤维复合材料由此带来了材料回收处理的需求。

然而，在回收时，使用热固性材料，如合成树脂作为基体存在的问题是，基体的可逆融化是可能的。

因此，由纤维复合材料制成的物品到目前为止都是以这样的方式，如将纤维复合材料粉碎成粉末的方式被粉碎的。该种粉碎的方法已被公开，如EP 0 473 990 A2。该种粉碎方法所形成的产品，即粉末，之后被用作生产新的模制零件的添加剂。这样做的缺点是，添加剂主要是用作填料，其不会导致材料特性的改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种回收纤维复合材料的方法，该方法所形成的产品为可用于高级别再利用的粉碎产物。

本发明的目的是通过权利要求1的特征实现的。所述从属权利要求涉及优选的实施例。

根据本发明再处理纤维复合材料的方法，含有纤维复合材料的物品被送入一冲击反应器并被机械载荷粉碎，所述粉碎以这样一种方式执行，使得粘附有基体的纤维针(fibre needles)作为粉碎产物被生产出来。

粉碎含有纤维复合材料的物品，也就是产品或者零部件，使得粉碎产物为粉末的实施方式，作为现有技术被熟知已经很长时间了。其他尝试是将基体与纤维完全分离。然而，问题在于，在进行分离时，为了与基体粘合而对纤维进行预处理所形成的涂层要先去除然后再次涂覆。此外，由于纤维材料与基体结合的非常牢固，因此所述分离的方法非常麻烦。另外，分离出来的纤维达不到原纤维材料的原有强度也是一个问题。

与现有技术的方法相比，根据本发明的方法，希望使基体粘附于所述粉碎的纤维材料，即形成纤维针(fibre needles)。因此，由所述方法形成的产品，也就是粉碎产物，是针状纤维物品，所述针状纤维物品是由被基体包裹的纤维或纤维束所构成。在这方面，原物品中的纤维材料与基体都被回收处理。

因此，所述方法优选地以这样的方式实施，在纤维针上形成不规则形状的断裂边缘并提升对新的基体的附着力。因此，所述纤维复合材料在粉碎过程中被碎断，并且纤维部分与基体一起被分离出来。

所述粉碎产物优选地包含有纤维长度为0.1mm～20mm的纤维针。部分还可以包含有纤维长度更长或更短的纤维针。优选地，一部分粉碎产物中重量百分比占90％的纤维长度为0.1～20mm。更优地，所述粉碎产物包含有纤维长度为1mm～10mm的纤维针。部分物品在冲击反应器中进行粉碎后产生纤维长度不一的粘附有基体的纤维针，其中纤维长度为1mm～10mm。所述粉碎产物能自由流动并可在搅拌机中处理。在这方面，所述粉碎产物，即纤维针可以通过简单的方法进一步处理。

起始物料，即要粉碎的物品，含有重量百分比约30～40％的基体和重量百分比约60～70％的纤维。

新的模制零件可以由以上所述纤维长度的纤维针制造而成，其中纤维针的随机定向和不同长度的纤维针的均匀分布使得新的模制零件一方面产生等距强度特性，另一方面产生惊人的高强度特性。在这方面，经过再处理的呈纤维针形式的纤维材料可以被用于高级别再利用。

通过网孔分析法，可以确定关于一定数量的粉碎产物的级配曲线。这样做时，例如可以对每种情况下待粉碎的部分物品执行网孔分析法以确定粉碎部分的级配曲线。

所述级配曲线显示了粉碎部分所形成的粉碎纤维针的纤维长度分布。由此，可以建立粉碎部分所形成的粉碎产物的纤维长度分布。

通过混合具有不同级配曲线的不同粉碎部分，可以为一定量的粉碎产物生成预设的纤维长度分布。这使得生产具有统一产品特性的模制零件成为可能。此外，为不同的应用目的确定不同的配方是可行的，这些配方包含有特定的纤维长度分布。以上可以通过有针对性地混合具有不同纤维长度分布的部分粉碎产物来实现。

一种优选的冲击反应器包括一圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的一端面设置有一基底，另一端面设置一盖子。所述基底上可旋转地安装有一冲击体。所述圆柱形壳体、基底和盖子形成了一个冲击反应室。所述盖子上形成有一开口用于接收所述物品。所述冲击体可以包括有链条，或者可以是配置有冲击元件的转子。

出料口可以设置在所述冲击反应器的外围区域。这样，所述出料口优选地配置于壳体上。所述出料口可通过封盖关闭。所述出料口允许粉碎产物的排出。

所述出料口优选地设计成使得粉碎产物能够持续地从冲击反应器中排出。这样做的好处是，纤维复合材料在冲击反应室内的停留时间非常短暂，因此冲击体造成的机械效应非常有限。当达到了期望的纤维长度时，粉碎产物即被排除。这样做的好处是，基体的很大一部分仍然粘附在纤维上，而且构成粉碎产物的纤维针具有尖锐和不规则的断裂边缘，这提升了对新的基体的附着力。

所述出料口可由带有开槽或穿孔的盖板盖住。所述带有开槽或穿孔的盖板一方面允许粉碎产物的持续地排出，另一方面在粉碎产物达到所需的纤维长度时立即允许粉碎产物排出。一方面，所述纤维复合材料因此在冲击反应器中的停留时间很短；另一方面，具有长的纤维长度的纤维针可以从冲击反应器中排出。

因此，在粉碎物品的过程中，粉碎产物持续排出。一旦物品被粉碎至可以穿过盖板的程度，粉碎产物就离开冲击反应器。

所述盖板的选择可以依据先前进行的网孔分析法进行更改。这样，所述盖板的选择，如对于盖板的通孔的直径和几何形状的选择可以这样一种方式进行，其使得具有期望纤维长度分布的纤维针可以从冲击反应器中排出。

可以提供具有不同通孔尺寸的多个盖板。这样，即使在纤维针排出冲击反应器的过程中所述纤维针也可以根据其纤维长度被分开。

如果需要进一步地粉碎，所述盖板可通过所述封盖关闭。

除所述盖板外，还可提供用于排出大型零件的出料封盖，这在冲击反应器中处理含有不同材料组合的复合材料时尤其有利。如果所述复合材料包含有金属部分和纤维复合材料，所述纤维复合材料在粉碎过程中以纤维针的形式从冲击反应器中持续地排出，所述金属部分之后可由所述出料封盖移除。

一个分级装置可以配置于所述冲击反应器中。所述分级装置可以直接连接到出料口。所述分级装置可以包括有筛网，所述筛网允许根据纤维长度对粉碎产物进行分组。因此，在粉碎产物由出料口排出后，可以进行网孔分析法或者可以对所述纤维根据纤维长度进行分组，这允许将特定纤维长度的纤维进行有利地分组。通过上述多个盖板的选择，同样可以实现特定纤维长度分布的有利选择。这样，就可以生产出特别高端的新的模制零件。

所述纤维材料可以包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和/或芳纶纤维。虽然由玻璃纤维或玄武岩纤维制成的纤维复合材料价格低廉，但它们的数量也特别多。由碳纤维制成的纤维复合材料成本特别高，且难以处理。由于纤维复合材料的高强度，其再处理迄今为止仍是一个难题。然而，已证明由纤维针制成的模制体具有非常好的材料特性，特别是当纤维针包含有碳纤维时。因此，形成粉碎产物的纤维针由碳纤维束组成，其中基体粘附在所述碳纤维束上。

为了能够制造出由基体和纤维形成的牢固的复合材料，在所述纤维上提供有浆料(size)。例如，在玻璃纤维上有玻璃纤维浆料，在碳纤维上有碳纤维浆料。这些浆料以涂层的形式沉积在所述纤维上，提高纤维对基体的粘附力。根据本发明的方法所形成的纤维针包含有带有粘附浆料的纤维以及粘附的基体。因此，无需再为所述纤维针提供浆料。所述纤维针可以直接嵌入到新的基体中，并进一步处理形成模制零件。由于原浆料附着在所述纤维上，确保了新的基体牢固地粘附在所述纤维上。这样，即使使用回收纤维材料也能生产出具有超高强度值的模制零件。

在送入冲击反应器粉碎之前，可以先将所述物品送去进行预粉碎。预粉碎可以将大的模制零件，如来自风力发电机组的转子叶片预粉碎为块状物，所述块状物可以送入至冲击反应器中。所述预粉碎可通过如锯切或水射流切割的方式实现。通过预粉碎所形成的物料随后可以通过现有的输送设备，如输送带进行输送并能自由流动。

根据一个有利的实施例，所述粉碎产物可与新的基体相混合并被处理以形成模制零件。根据本发明的方法所形成的纤维针是可搅动的，例如可以在现有搅拌器或混合器中进行加工。通过确定级配曲线，可以提供具有特定纤维长度分布的纤维组成，并由此可以生产出具有所需机械特性的模制零件。

根据本发明的模制体包括由上述方法所形成的纤维针以及基体。所述基体优选由热固性材料，如合成树脂制成。为此，所述纤维针与液态的基体相混合并处理成模制零件，例如片状物品。后续的进一步处理是通过挤压和加热方式进行的，所述基体因此固化，并形成纤维针与基体的牢固的复合物。所述纤维针可以具有预先选择的纤维长度分布。所述纤维针的选择可以通过前面所述的网孔分析法来实现。

通过混合所述纤维与基体并在压力机中进一步处理，实现了纤维针的均匀分布和定向。这样，新生产的模制零件具有等距强度特性。通过使用不同纤维长度的纤维针，较短的纤维针可以连接在较长的纤维针之间的空间。此外，根据本发明的粉碎同样也可以得到出粉状的粉碎产物。这样做的好处是，纤维针的密集排列使得所形成的复合材料机械强度高，且仅需要少量新的基体就可以制造模制零件。

在粉碎之前，起始物料包含重量百分比约30～40％的基体和重量百分比约60～70％的纤维材料。由所述粉碎的纤维针制造的新的模制零件包含重量百分比约45～55％的基体，优选地所述基体的重量百分比约50％。在这方面，新的模制零件包含相对少量的新添加的基体。所述新添加的基体的重量百分比仅为10～20％。在这方面，由所述纤维针制成的模制零件所含有的纤维占比仍然很高，导致其强度高。

附图说明

下面参照附图，对本发明的方法进行更具体的描述，所述附图如下：

图1:一个用于实施本发明的方法的冲击反应器。

具体实施方式

图1示出了一个冲击反应器1，或一个用于粉碎含有纤维复合材料的物品的冲击反应器装置。

所述起始物料例如为风力发电机组的转子叶片，其包括由碳纤维制成的纤维复合材料制成的呈嵌入形态的结构部件。所述转子叶片的长度可以为60米。为使原材料能够送入至所述冲击反应器1，首先对转子叶片进行预粉碎以形成块状物。所述预粉碎由锯切实现。

在粉碎之前，起始物料包含有重量百分比约35％的基体以及重量百分比约65％的碳纤维形式的纤维材料。所述基体由热固性合成树脂组成，并与碳纤维形成牢固的复合材料。

所述冲击反应器1包括一基底10以及一由金属材料制成的圆柱状的壳体2。一装有冲击元件5的转子3设置于基底区域，并位于壳体2的内部。所述转子3可操作地连接到一电动马达6，所述电动马达6设置于壳体2的外部。将所述转子3连接到电动马达6的轴沿圆柱形壳体2的轴向方向延伸。所述转子3包括有若干由所述轴沿径向凸伸的叶片4。所述冲击元件5设置于自由叶片4的末端。所述冲击元件5可互换地固定在所述叶片4上。

在背离转子的端面上，所述冲击反应器1被盖子7封闭，由此所述基体10、壳体2以及盖子7封闭一冲击反应室。所述盖子7形成一进料口9，用于输入所述物品。在转子3的高度上，所述壳体2还形成一出料口8，用于排出粉碎产物。穿孔盖板11插入至所述出料口8中。所述盖板11形成筛网，供所需粒径的粉碎产物通过。

为了粉碎目的，所述预粉碎的物品通过进料口9被送入冲击反应室。在装有冲击元件5的转子3的作用下，所述物品被粉碎成为纤维针形式的粉碎产物，并由所述出料口8从冲击反应室排出。在本实施例中，从冲击反应室中移除粉碎产物是持续进行的。因此，所述纤维针在达到所需的纤维长度后立即被排出。

或者，所述出料口也可以通过一封盖关闭，因此该装置也适合分批操作。

所述纤维针形式的粉碎产物的纤维长度为0.1mm～10mm。所述纤维针由纤维材料以及粘附于纤维材料上的基体构成。所述纤维材料则由纤维束构成，其尺寸允许基体牢固地粘附在纤维材料上。因此，所述纤维针仍然是由纤维材料与基体构成的复合材料。所述纤维材料嵌设于所述基体内，由于粉碎的原因，所述纤维针具有尖锐的边缘和不规则的断裂边缘，其提高了对新的基体的附着力。

在冲击反应器1进行粉碎之后，使用一部分纤维针来执行网孔分析法(meshanalysis)以确定级配曲线(grading curve)。以这种方式，得知了该部分纤维针的纤维长度分布。通过混合不同的部分就可以得到具有预设纤维长度分布的纤维针的混合物。所述网孔分析法是通过筛孔宽度渐小的筛网上筛选所述纤维针。

为了制造新的模制零件，具有期望纤维长度分布的纤维针与新的基体在搅拌器中进行混合。所述新的基体优选地由热塑性树脂构成。在混合后，在压力机中成型。在成型过程中可以进行加热。在新的基体固化后，新的模制零件就形成了。

所述方法特别适用于使用再处理纤维针制成的纤维增强复合材料来生产板材、型材或三维模制零件。由粉碎的纤维针新生产的模制体具有总共50％重量百分比的基体，新加入的基体的量仅为15％重量百分比。纤维部分的量为50％重量百分比。上述情况下使用的纤维针的纤维长度为1mm～10mm。

所述模制体还可以形成为多层结构体。在这种情况下，至少一层包括有纤维针。所述模制体可以形成为三明治结构，该三明治结构除了纤维针层之外还包括有例如呈织物形式的纤维材料层。所述纤维针层可以作为中间层。该种类型的模制体具有特别高的强度和良好的视觉外观。

根据本发明形成的具有纤维针的模制体还可以有利地再次被送去进行再处理。

所述纤维针还可在弹性制品，例如轮胎等橡胶制品中作为添加剂。

Claims (11)

1.一种再处理纤维复合材料的方法，其中包含有纤维复合材料的物品被送入至一冲击反应器(1)中并被机械载荷粉碎，其中，所述粉碎以这样一种方式执行使得粘附有基体的纤维针作为粉碎产物被生产出来。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉碎产品包括有纤维长度为0.1mm～20mm的纤维针。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，关于一定数量的粉碎产物的级配曲线通过网孔分析法确立。

4.如权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，所述粉碎产物由所述冲击反应器(1)持续地排出。

5.如权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述冲击反应器(1)设置有排出口(8)。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述排出口(8)由带有开槽或穿孔的盖板(11)盖住。

7.如权利要求1至6任一项所述的方法，其特征在于，所述纤维复合材料包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维和/或芳纶纤维。

8.如权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述粉碎产物包含具有粘附浆料的碳纤维以及粘附的基体。

9.如权利要求1至8任一项所述的方法，其特征在于，所述物品被送去所述冲击反应器(1)粉碎之前被送去预粉碎。

10.如权利要求1至9任一项所述的方法，其特征在于，所述粉碎产物与新的基体相混合并处理以成型模制零件。

11.一种模制体，包含纤维针和基体，所述纤维针能够根据上述任一权利要求所述的方法获得。

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