CN113165215A - 一种回收复合材料和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了由回收复合材料制备的组合物。所述组合物可以用于生产新的、可回收的固体复合产品，所述固体复合产品包括具有改善的强度和耐湿性的建筑材料。

Description

一种回收复合材料和相关方法
技术领域
本申请要求于2018年8月3日提交的、申请号为62/714,460的临时申请的权益，其全部内容通过引用明确地并入本文中。
技术领域
本公开涉及一种包括聚合物和诸如玻璃纤维及其他玻璃纤维和碳纤维增强材料的回收复合材料的组合物和新产品，以及制备该组合物的方法。
背景技术
风能，更具体地说是使用风力涡轮机(wind turbine)来发电，是一个爆发性市场。有许多公司生产用于这种数量不断增长的涡轮机的叶片，如果这些叶片磨损或损坏，则它们需要被定期更换。对于叶片制造商、公用事业和可能不希望使退役的叶片进入垃圾填埋场的其他实体而言，这会产生问题。尽管回收风力涡轮机叶片的前景可能有吸引力，并且与作为“绿色”能源的风能的概念一致，但是之前在技术上或经济上是不可行的。尽管之前有努力，但是专家已经认为风力涡轮机叶片是“不可回收”并且是有问题的废料来源。参见Liu等，“2050年风力涡轮机叶片废料”，《废料管理》(Waste Management)，第62卷，第229-240页(2017年4月)。随着风力发电在全球能量生产中的重要性日益提高，这个问题只会变得更严重。
风力涡轮机叶片以及包括玻璃纤维和其它纤维增强材料的其它材料长期以来难以回收为新的和有用的产品。尽管正在持续进行回收工作，但是在许多情况下，诸如复合风车涡轮机叶片的大型物品被简单地埋在垃圾填埋场中或焚烧。
有许多原因使人们对最大限度地利用再生的(reclaimed)纤维增强产品感兴趣。虽然再生的玻璃纤维提供了降低制造成本的方法，但对环境的关注也促使制造商再利用或回收纤维增强产品。消费者对有环保意识的制造商表现出偏好，并且联邦和州政府正在研究制定时间表以从废料流中除去玻璃纤维或要求在成品中使用回收的复合材料。
存在以下需求：将不再使用的风力涡轮机叶片和其它含玻璃纤维的复合物体回收到材料中的方法，该材料可以用于制造可被进一步回收的产品。
发明内容
提供本发明内容以便以简化形式介绍所选的技术构思，该技术构思将在下面的具体实施方式中进一步描述。该发明内容不旨在指定所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
一方面，本公开提供了一种包括回收复合材料和一种或多种聚合物的组合物。
在一些实施例中，所述回收复合材料为玻璃纤维增强复合材料，例如，压碎的回收或退役的(decommissioned)风力涡轮机叶片。
在一些实施例中，所述回收复合材料包括回收风力涡轮机叶片纤维或粉末。在某些实施例中，所述回收风力涡轮机叶片纤维具有约0.25mm至约12mm的长度。在一些实施例中，所述风力涡轮机叶片粉末包括最大尺寸约0.4mm至约3mm的颗粒。
在一些实施例中，所述一种或多种聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或它们的组合。
在某些实施例中，所述组合物通过对一种或多种聚合物和回收复合材料颗粒的混合物进行挤出而制成。
在一些实施例中，按重量计，所述组合物包括量为所述组合物的约5％至约90％的回收复合材料。在某些实施例中，按重量计，所述组合物包括量为所述组合物的约5％至约60％的一种或多种聚合物。在一些实施例中，按重量计，所述组合物包括约50％的HDPE和约50％的回收复合材料粉末。
另一方面，本公开提供了一种包括本公开的所述组合物的复合建筑材料，例如面板(panel)或板(board)。
在某些实施例中，所述建筑材料包括回收复合材料、聚合树脂、水和脱模剂。在一些实施例中，所述建筑材料由权利要求1所述的组合物制备，所述组合物包括约89wt％的回收复合材料、约6wt％的聚合树脂、约4wt％的水以及约1wt％的脱模剂。在某些实施例中，所述建筑材料为厚度约0.5cm至约4cm的面板。
附图说明
通过参考以下具体实施方式并结合附图，本发明的前述方面和许多伴随的优点将变得更容易理解，同时变得更好理解，其中：
图1示出了正被移至回收设施的退役的风力涡轮机叶片；
图2为风力涡轮机叶片回收的示意图：移除并回收金属部件，并且将包括玻璃纤维复合物的剩余复合主体加工成回收复合颗粒和纤维，以这种方式，叶片的高达99％可以回收；
图3为包括HDPE和粉末状回收风力涡轮机材料的粒状示例性组合物的图片；
图4为比较示例性复合面板、OSB/结构面板和颗粒/MDF结构面板的结构性能(断裂模量(MOR)和弹性模量(MOE))的图。在该示例中，该示例性复合面板包括约89wt％的回收复合材料(例如，纤维)、约6wt％的聚合树脂、约4wt％的水以及约1wt％的脱模剂；
图5为比较示例性复合面板、OSB/结构面板和颗粒/MDF结构面板的湿度影响性能(吸水性和厚度膨胀)的图；在该示例中，该示例性复合面板包括约89wt％的回收复合材料(例如，纤维)、约6wt％的聚合树脂、约4wt％的水以及约1wt％的脱模剂。
具体实施方式
一方面，本文公开了包括一种或多种聚合物和诸如从再生的(reclaimed)(或者回收的(recycled))复合材料形成的颗粒的回收复合材料的组合物。与组合形成该组合物的单个组分相比，本公开的组合物具有某些有利的性能，例如，优异的耐湿性和耐火性。
在一些实施例中，该组合物包括回收复合材料，该回收复合材料包括玻璃纤维或碳纤维。例如，在某些实施例中，该复合材料为玻璃纤维增强材料或碳纤维增强材料。任何适当的复合材料可以包括在本文公开的组合物中。任何浪费、过剩或损坏而无法使用的先前存在的复合产品或原材料均可以包括在本文公开的组合物中。这种材料来源的非限制性示例包括来自玻璃纤维和纤维增强塑料制造商以及产品制造商的固化或未固化的废料和粗纱、船体及其它船舶设备、包括风车叶片在内的复合涡轮机叶片和飞机部件。在许多情况下，输入材料为由聚酯和苯乙烯树脂形成的纤维增强材料。纤维材料的非限制性示例包括玻璃纤维、石墨、碳、尼龙、凯夫拉(KEVLARTM)以及其它人造纤维。如本文所使用的，“回收复合材料颗粒”和“回收复合材料纤维”是指分别由包括玻璃纤维或碳纤维的各种这样的复合材料制备的颗粒和纤维。
在一些实施例中，回收复合材料颗粒为由回收的复合涡轮机叶片(包括风力涡轮机叶片)形成的颗粒。风力涡轮机叶片通常由诸如纤维增强环氧树脂或不饱和聚酯的复合玻璃纤维材料制成。按重量计，叶片通常由约70％至约75％的玻璃纤维组成，并且必须满足非常严格的机械要求，例如高刚性以及抗扭转性和抗疲劳性。用于1.5-MW涡轮机的标准35至40米叶片可重达6至7吨。环氧树脂和聚酯以及少量的乙烯基酯都已经用于制造风力涡轮机叶片。环氧树脂通常是优选的，因为它为长于26m(85ft)的叶片提供更强的机械性能。在某些实施例中，除了玻璃纤维之外，用于制备回收复合材料颗粒的回收复合材料可以包括其它组分，诸如木材或聚合树脂。例如，在一些实施例中，除了玻璃纤维和树脂复合物之外，风力涡轮机叶片还可以包括轻木和泡沫。
因此，在一些实施例中，按重量计，回收复合材料颗粒或纤维包括高达约85％的玻璃纤维。在一些实施例中，回收复合材料颗粒包括约40％至约90％的玻璃纤维，约50％至约90％的玻璃纤维，约50％至约75％的玻璃纤维，约60％至约90％的玻璃纤维，或约70％至约90％的玻璃纤维。
用于形成本文公开的组合物的回收复合材料，例如，退役的风力涡轮机叶片，或休闲车(recreational vehicle，RV)或其他车面板，可以通过任何适当的方法被破碎成颗粒，作为非限制性示例，该适当的方法包括粉碎(shredding)、压碎(crushing)、剁碎(chopping)、切割(cutting)、撕碎(ripping)、撕裂(tearing)、捣碎(pounding)、研磨(grinding)或以其他方式降解复合材料，以形成小块复合材料。然后，小块复合材料可以被研磨以形成更小颗粒的复合材料。在一些实施例中，根据美国专利第9,028,731号中公开的方法制备回收复合材料的颗粒，该专利通过引用如同充分阐述一样结合在本申请中。
在一些实施例中，例如通过穿过一个或多个筛网或过滤器将颗粒分离成粒级。在一些实施例中，颗粒包括由回收的风力涡轮机叶片形成的由40目筛网保留的纤维。在一些实施例中，颗粒包括具有约0.25mm至约12mm的长度的纤维。在某些实施例中，颗粒具有约0.5mm至约12mm、约1mm至约12mm或约2mm至约12mm的长度。
在其它实施例中，复合材料颗粒为最大尺寸约0.4mm至约3mm的细颗粒。在某些实施例中，颗粒具有约0.1mm至约5mm、约0.2mm至约3mm、约1mm至约5mm或约1mm至约3mm的最大尺寸。在其它实施例中，颗粒包括如上所述的纤维和细颗粒。
在一些实施例中，将回收复合材料的颗粒与一种或多种聚合物组合以形成本文公开的组合物。在一些实施例中，本文公开的组合物的聚合物为聚酯聚合物或烯型主链聚合物。示例性的聚合物包括高密度聚乙烯(HDPE)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。在一些实施例中，聚合物为HDPE。
在一些实施例中，本公开的组合物包括一种或多种聚合物和回收复合材料的颗粒。在一些实施例中，按重量计，回收复合材料的颗粒形成为不超过组合物的约50％。在其它实施例中，按重量计，颗粒形成为组合物的约90％、约80％、约70％、约60％、约55％、约50％、约45％、约40％、约30％、约25％、约20％、约15％、约10％或约5％。或者，在一些情况下，聚合物形成为组合物的重量的约60％、约55％、约50％、约45％、约40％、约30％、约25％、约20％、约15％、约10％或约5％。在一些实施例中，按重量计，组合物包括约50％的聚合物(诸如HDPE)和约50％的回收复合材料(诸如回收的风力涡轮机叶片)的颗粒。在一些实施例中，组合物包括高达90％的回收复合材料颗粒。在某些实施例中，组合物包括约70％至约90％的诸如上述颗粒和/或纤维的回收复合材料。
在一些实施例中，本文公开的组合物通过挤出形成。任何适当的挤出方法可用于形成本公开的组合物。在一些实施例中，组合物挤出为粒料。在一些实施例中，使用Milacron挤出机以生产本文所公开的组合物的粒料。在某些实施例中，本文所公开的组合物的粒料使用ECON造粒机生产。在一些实施例中，使用复合挤出(compounding extrusion)生产本文所公开的组合物。复合挤出是将一种或多种聚合物与添加剂(诸如粉末状回收复合材料)混合以产生塑料复合体(plastic compound)即本发明的组合物的工艺。在复合挤出中，进料可以是粒料、粉末和/或液体的形式，并且产物通常为粒料形式，以用于诸如挤出和注塑的其它塑料成型工艺。例如，如图3所示，组合物可以为粒料形式。可以使用任何适当的挤出机以生产本文所公开的组合物。
在一些实施例中，本文所公开的组合物包括附加组分。这种组分的非限制性示例包括粘合剂、填料、树脂、催化剂、增强剂和补强剂。组分的其它非限制性示例包括骨料(aggregate)固体微粒、骨料岩石、砾石、砂、木材、纺织品、管材、棒、条、纤维、金属、蜂窝、间隔物、填料、树脂、回收树脂、塑料树脂、催化剂、回收聚合物、纸纤维、粘合剂、水泥、氧化镁、水、石灰岩、花岗岩、化学添加剂及它们的组合。在一些实施例中，附加组分被混合到聚合物-颗粒混合物中。在其它实施例中，在添加所述混合物之前，将附加组分设置或放置到模板、模具、铸具等中。在又一些其它实施例中，在添加所述混合物之后，将附加组分设置或放置到模板、模具、铸具等中。
本文所公开的组合物可用于生产新的复合产品，不同于用于制备所述组合物的原始回收复合材料，该新的复合产品可再次回收，并且易于转变成其它产品。
第二方面，本公开提供了包括本公开的组合物的复合产品，例如，复合建筑材料，诸如壁板(siding panel)或装饰板(decking board)。在一些实施例中，包括本公开的组合物的复合产品包括地板、壁板、隔板、台面板、外观材料、箱装货物、容器和货盘。在某些实施例中，包括本公开的组合物的复合产品(例如，复合建筑材料)包括回收风力涡轮机叶片纤维或颗粒(诸如上文所述的那些)。在某些实施例中，纤维具有约0.25mm至约12mm的长度。在一些实施例中，本公开的复合产品包括回收风力涡轮机叶片颗粒和由诸如RV面板的另一类型的回收复合材料制备的颗粒。
通常，复合建筑材料包括回收复合材料(例如，纤维、细颗粒和/或粉末)、聚合树脂、水和脱模剂。在一些实施例中，建筑材料由包括约80wt％至约90wt％的回收复合材料(例如，纤维)、约5wt％至约10wt％的聚合树脂、约3wt％至约5wt％的水以及约0wt％至约1.5wt％的脱模剂的组合物制备。在某些实施例中，建筑材料由包括约89wt％的回收复合材料(例如，纤维)、约6wt％的聚合树脂、约4wt％的水以及约1wt％的脱模剂的组合物制备。着色剂及其它组分可以包括在用于制造本公开的建筑材料的组合物中。在某些实施例中，可以对建筑材料进行涂漆。
可以使用任何适当的脱模剂来制备本公开的建筑材料。向组合物中施加脱模剂或在组合物中掺杂脱模剂可在模塑表面和基底之间提供屏障，促进固化部件(诸如板)与模具的分离，防止基底熔合到模具表面上。脱模剂的非限制性示例包括PVA(聚乙烯醇)、PTFE(聚四氟乙烯)和反应性聚硅氧烷。
在一些实施例中，建筑材料为面板的形式，该面板具有光滑或有纹理的表面，并且具有在约0.3cm至约5cm、约0.5cm至约3cm或约0.5cm至约2.5cm范围内的典型厚度。本领域技术人员可以根据具体应用调整面板的厚度。在某些实施例中，面板具有约800kg/m3至约1100kg/m3的密度。包括本公开的组合物的面板可以是任何适合于给定应用尺寸的面板。在一个实施例中，该面板由母板(master board)(例如，具有约6英尺×约36英尺的尺寸的母板)生产。在某些实施例中，建筑材料为装饰板或瓷砖。
本公开的建筑材料，例如复合面板，出人意料地具有某些有利的性能，例如耐湿性、耐白蚁性、强度和其它机械性能。图4和图5表明本公开的示例性面板具有优于诸如MDF颗粒板和OSB结构面板的普通木基建筑产品的性能。如图5所示，包括约89％的回收复合材料纤维的示例性面板具有明显更低的吸水性，同时保持机械性能(图4)。
本公开可能涉及数量和数字。除非特别说明，否则这些数量和数字不应被认为是限制性的，而是与本申请相关联的可能的数量或数字的示例。另外，就这一点而言，本申请可以使用术语“多个”来指代数量或数字。
除非另有说明，否则表示数量或条件的所有数字应理解为在所有情况下被术语“约”修饰，“约”是在所指示的数字的10％内(例如，“约10％”意思是9％-11％，“约2％”意思是1.8％-2.2％)。除非另有说明，否则所有的百分比和比例均按重量计算。除非另有说明，否则所有的百分比都是基于总组合物计算。
本说明书中引用的所有出版物和专利申请通过引用结合在本申请中，并且出于任何和所有目的，如同每个单独的出版物或专利申请均被明确地和单独地指示通过引用结合一样。
虽然已经示出和描述了说明性实施例，但是应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文进行各种改变。

Claims (20)

1.一种组合物，包括回收复合材料和一种或多种聚合物。
2.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述回收复合材料为玻璃纤维增强复合材料。
3.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述回收复合材料为压碎的回收风力涡轮机叶片。
4.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述回收复合材料包括回收风力涡轮机叶片纤维。
5.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述回收复合材料包括回收风力涡轮机叶片粉末。
6.根据权利要求4所述的组合物，其中，所述回收风力涡轮机叶片纤维具有约0.25mm至约12mm的长度。
7.根据权利要求5所述的组合物，其中，所述回收风力涡轮机叶片粉末包括最大尺寸约0.4mm至约3mm的颗粒。
8.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述一种或多种聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
9.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述一种或多种聚合物为高密度聚乙烯(HDPE)。
10.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物通过对一种或多种聚合物和回收复合材料颗粒的混合物进行挤出而制成。
11.根据权利要求1所述的组合物，其中，按重量计，所述组合物包括量为所述组合物的约5％至约90％的回收复合材料。
12.根据权利要求1所述的组合物，其中，按重量计，所述组合物包括量为所述组合物的约5％和至约60％的一种或多种聚合物。
13.根据权利要求1所述的组合物，其中，所述组合物包括约50wt％的HDPE和约50wt％的回收复合材料粉末。
14.根据权利要求13所述的组合物，其中，所述回收复合材料粉末为回收风力涡轮机叶片粉末。
15.一种复合建筑材料，包括根据权利要求1所述的组合物。
16.根据权利要求15所述的复合建筑材料，其中，所述复合建筑材料为面板或板。
17.根据权利要求16所述的复合建筑材料，其中，所述复合建筑材料包括回收风力涡轮机叶片纤维。
18.根据权利要求16所述的复合建筑材料，其中，所述复合建筑材料包括回收复合材料、聚合树脂、水和脱模剂。
19.根据权利要求16所述的复合建筑材料，其中，所述复合建筑材料由根据权利要求1所述的组合物制备，所述组合物包括约89wt％的回收复合材料、约6wt％的聚合树脂、约4wt％的水以及约1wt％的脱模剂。
20.根据权利要求19所述的复合建筑材料，其中，所述复合建筑材料为厚度约0.5cm至约4cm的面板。
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