廢棄玻纖增強熱塑性復合材料制品回收利用技術研究

廢棄玻纖增強熱塑性復合材料制品回收利用技術研究

0廢棄gm制品的回收利用作為一種新型、高質量、低效率的綠色材料，它在汽車、建筑、包裝、軍事、民用等行業(yè)得到了越來越大的應用。除了GMT質量輕、性能高、加工方便倍受人們青睞外,廢棄制品可以回收利用也是生產廠商考慮選用GMT材料的一個主要原因。有鑒于此,GMT回收利用的研究越來越引起人們的重視,許多研究者都進行了這方面的工作,但目前的文獻報道仍不多。美國GEPlastics公司與PPG公司合資生產的Azdel牌GMT材料已用于生產Jaguar300車保險杠,廢棄的保險杠經過粉碎機粉碎后與GMT新料按20∶80的比例摻混再復合成新的片材,其性能無明顯下降。Poulakis等研究了通過溶劑溶解的方法回收聚丙烯基纖維復合材料的可能性。其方法是利用一種適當的溶劑溶解聚丙烯基復合材料,制成聚丙烯溶液,其中增強纖維呈懸浮狀態(tài),而后對這種含有纖維懸浮物的PP溶液進行過濾以使兩者分離,分別加以回收。回收的纖維與同種基體樹脂再復合后材料力學性能無明顯變化。與未經回收處理的新料相比,經過一次回收再復合成新材料的拉伸模量和拉伸強度有明顯增加,但是Izod沖擊強度有所下降。GEPlastics公司與PPG公司對廢棄GMT制品及生產過程中的邊角料的回收作過研究。采用的回收方式是先將廢棄的汽車零部件上的嵌裝件、外裝漆及污染物清除后,再以機械方式粉碎,粉碎物送入擠出機擠出造?；蛴糜谧⑸淠Ｋ?并且已經開發(fā)成功專用造粒設備和混合配料設備。研究結果表明,回收材料復合制成的片材的彎曲強度和拉伸強度無明顯下降。Schlarb等將廢棄GMT材料機械粉碎后與GMT新原料摻混,再經過熔融浸漬制成片材,而后模壓成型制成新的零部件。研究測試結果表明,當回收料摻混比例高達70%左右時,材料強度和模量降低近25%。Mattus等對近期機械式回收GMT廢棄制品的技術進行了回顧,將機械式回收技術分為重壓、半成品及碎塊塑化流動模壓3種主要模式。其中,重壓模式僅僅適用于厚度均勻的制件,可以采用預熱后直接模壓,但厚度不均勻制品的預熱尚有待于解決;半成品模式是將廢棄制品粉碎后,與新原料一起擠出復合成片材,這種回收方式使回收料中纖維嚴重受損,長度縮短至10mm以下;碎塊塑化流動模壓是指將廢棄GMT制品粉碎成大小約為50mm以下的碎塊后,經塑化壓制成一種均相模壓料,其性能約為新片材的40%～70%。廢棄GMT制品回收利用不僅可以最大限度地減少對環(huán)境的污染,而且還可以重復利用日益匱乏的資源,但是目前這項技術的研究還不夠深入,主要回收方式僅為機械粉碎和溶解分離兩種。機械粉碎后摻混、造粒或注塑,均對其中的纖維造成嚴重損傷,纖維長度明顯縮短;化學溶劑溶解、過濾分離,雖然對纖維損傷很小,但回收過程過于繁雜且對環(huán)境造成新的污染。機械粉碎后回收和溶解分離回收所需設備投資均較大,操作過程煩瑣,無疑大大增加了回收成本,使其高于GMT新料制品,這是廢棄GMT制品回收技術至今尚未得到廣泛應用的一個主要原因。針對目前研究GMT制品回收利用的基本情況,本文采用完整回收廢棄GMT制品的方法,研究了其中的關鍵技術——預熱,確定了合理的預熱升溫序列,解決了這一技術難題,預熱后的廢棄制品重新壓制成新的制品。為探索廢棄制品可回收利用的次數,研究了制品經過回爐再加工后其彎曲性能的變化。1實驗1.1實驗儀器與設備半自動壓力成型機,0.25MN,上海西瑪偉力橡塑機械有限公司制;烘箱,101A-1,最高工作溫度為300℃,上海實驗儀器總廠制;邊框式拼裝模具,模腔厚度可調,自制;T型熱電偶,臺式自動平衡記錄儀連續(xù)記錄,上海大華儀表廠制;萬能材料試驗機,AG2000A,日本島津公司制;PP/GMT片材,厚度為3～5mm,自制。1.2廢棄制品的預熱廢棄制品一般厚薄不均,若加熱環(huán)境溫度過高,極易造成局部過熱而致使回爐制品表層及邊角處樹脂降解;若爐溫過低,將會延長預熱時間,降低設備能力。因此,廢棄制品的預熱應該有一個適宜的預熱升溫序列。調節(jié)烘箱溫度,測取制品表層和中心層溫度變化以確定適宜的升溫序列。1.3制備成模壓成型制品根據模具結構特征將GMT片材切割成一定大小的片料,充分預熱后模壓成型,在控制預熱及模壓工藝相同的條件下,將制品再預熱后入模壓制成型,制得回爐次數不同的制品,按照GB1449標準測試其彎曲性能。2結果與討論2.1爐溫對制品升溫速率的影響圖1表明,制品中心層溫度低于120℃時,爐溫對制品升溫速率影響較小;制品溫度超過120℃以后,爐溫對升溫速率的影響明顯增大,此時提高爐溫能夠有效提高制品升溫速率。2.2制品升溫速率圖2表明,厚度變化對于升溫速率的影響可以分為兩個區(qū)段:制品溫度低于基體熔點時(制品呈固態(tài)),厚度變化對制品升溫速率影響較大;高于熔點以后(基體樹脂熔融,氈體膨化),厚度變化對升溫速率的影響更為顯著。2.3制品升溫速率圖3表明,玻纖含量對制品升溫速率幾乎沒有影響。由于玻璃纖維的導熱系數比PP大,玻纖含量的增高,有使升溫速率加快的趨勢;同時,玻纖含量上升意味著制品中孔隙含量增加,樹脂熔融時制品的膨化程度增加,這兩者均有使升溫速率降低的趨勢。兩種趨勢相互消長使玻纖含量的改變對制品升溫速率的影響不明顯。預熱研究表明:制品膨化之前宜選用較低爐溫(180℃預熱4～5min),能夠有效降低能耗、減少樹脂降解,且對升溫速率影響較小;制品膨化以后,宜選用較高爐溫(240℃)預熱升溫2～3min,這樣能夠在樹脂不發(fā)生降解的前提下,有效地縮短整個預熱時間。2.4彎曲模量的變化控制預熱升溫與制品制備的工藝條件相同,所制得的不同回爐次數制品的彎曲性能測試結果示于圖4、5。圖4中顯示制品彎曲模量隨著回爐次數的增加而呈現(xiàn)遞減趨勢,在回爐次數為3～9次區(qū)間出現(xiàn)一個平臺區(qū),區(qū)間內制品彎曲模量遞減趨勢很小,其值約為4000～4500MPa,完全達到制品使用要求;當回爐次數超過9次以后,彎曲模量迅速下降至3000MPa而不堪重復使用。圖5表明,回爐次數對制品彎曲強度的影響可以劃分為3段加以考慮。第一段回爐次數為0～4區(qū)段,彎曲強度遞減,其值約為125～140MPa,完全滿足使用要求;在第二區(qū)段,回爐次數為4～9次,彎曲強度遞減速率明顯減小,其值約為100～120MPa,仍然能夠滿足使用要求;當回爐次數超過9次以后,制品彎曲強度已經達不到使用要求。綜合考慮制品彎曲性能隨回爐加工次數的變化,本實驗條件下可對制品回收利用9次。3mt制品的回收利用途徑(1)本研究嘗試的完全回收利用GMT廢棄制品的回收成本僅由廢棄制品的預熱加工能耗及重新模壓加工成本構成,采用該技術不失為一條大幅度降低廢棄GMT制品回收成本的途徑。(2)回爐加工時,合理的預熱方式為:先將制品在180℃爐溫下預熱4～5min,再轉運入240℃加熱