Переработка композиционных материалов - больше никаких отговорок

Производители композиционных материалов должны рассмотреть привлечение перерабатывающих компаний в цикл производства.

В апреле 2016 года я вел колонку под названием "Можно ли сделать переработанное углеродное волокно привлекательным?". Я написал ее после того, как  на Североамериканской международной автомобильной выставке в Детройте увидел панель крыши BMW i8, которая была явно выполнена из углеродного волокна с прозрачным покрытием, восстановленного и переделанного из обрезков в процессе производства композитных материалов компанией BMW. На тот момент это был образчик весьма прогрессивного мышления, поскольку все другие примеры использования углеродного волокна на выставке сводились к тканым материалам, а здесь классический вид углеродного волокна был заметен под прозрачным покрытием.

С тех пор многое изменилось с развитием технологий переработки композиционных материалов и их применением во многих компаниях.

Переработка композиционных материалов также привлекла инвесторов из венчурных фондов и стратегических инвесторов, например, компанию Hexcel (Стамфорд, штат Коннектикут, США), имеющую долю в акционерном капитале фирмы Carbon Conversions Inc. (Лейк-Сити, штат Южная Каролина, США) в 2016 году, а в декабре 2018 года компания Mitsubishi Corp. (Токио, Япония) объявила, что приобрела 25% акций фирмы ELG Carbon Fibre Ltd. (Косли, Великобритания).

Возможно, наиболее важную роль играет постоянно растущий перечень целевых применений, в которых используются переработанные композиционные материалы, от крышек люков и парковых скамеек до материалов для 3D-печати, среди всего прочего.

На конференции посвященной углеродному волокну, в декабре 2018 года представители ELG, Vartega Inc. (Голден, штат Колорадо, США) и Composite Recycling Technology Center (CRTC, Порт Анджелес, штат Вашингтон, США) говорили о свойствах переработанных композиционных материалов (по их словам, сопоставимых с исходными) и уже готовых целевых применениях, которые могут повысить спрос на них.

Переработка композиционных материалов и отходов их производства преследует две основные цели: первая - избежать захоронения отходов на свалках, и вторая, возможно, наиболее важная, - найти способы восстановления и повторного использования данных материалов в полезных (и прибыльных) областях применения. Но каким методом достичь этих целей и какой будет наиболее рационален с точки зрения различного исходного сырья? Чтобы начать разговор на эту тему, я предлагаю метод классификации разных технологий переработки по шести уровням:

Уровень 0 - минимизация утиль-сырья, отправляемого на свалку, с помощью повышения качества обработки материалов и повторного использования отходов в других изделиях в рамках одного предприятия. Сюда входит применение малоотходных процессов, например, автоматической выкладки лент и автоматическая выкладка нитей сухого волокна и препрегов, а также повторное измельчение или дробление бракованных заготовок и их использование в сочетании с цельными или прерывающимися материалами в центральных слоях, при литье или компрессионном формовании. Такое применение подходит для термореактивных материалов и термопластика и должно быть в приоритете у всех производителей.

Уровень 1 - это изменение назначения отработанных материалов, отправляемых на свалку. Сюда входят перемолотые, дробленые и прессованные отходы из сухого волокна, а также неотвержденные препреги, не соответствующие требованиям или с истекшим сроком годности. Из них можно создать продукты, к которым предъявляются менее жесткие требования. Существует множество устройств для обработки отходов, содержащих волокно, и несколько предприятий, занимающихся "перепрофилированием" препрегов, например, CRTC.

Уровень 2 - это измельчение отвержденных композиционных материалов или отработанного волокна и неотвержденных препрегов и смешение их с дополнительной смолой в качестве связующего вещества в различных панелях и продуктах, заменяющих металл, дерево и бетон. Сырьем могут служить лопасти ветряных турбин, лодки, детали самолетов и автомобилей, срок годности которых истек, а также стекловолокно, углеродное волокно или пенопластовые заполнители. На этом уровне действуют две компании: Global Fiberglass Solutions Inc. (Ботелл, штат Вашингтон, США) и GreenTex Solutions LLC (Чарлстон, штат Южная Каролина, США).

На Уровне 3 волокна извлекают из промежуточной продукции, например, неотвержденных препрегов из термореактивных материалов и термопластика, получая волокна со свойствами, эквивалентными исходным, хоть и в измельченном или гранулированном виде либо в виде нетканых материалов. Компании ELG и Carbon Conversions (использующие пиролиз), а также Vartega (использующая сольволиз) предлагают углеродные волокна на этом уровне.

Восстановление волокон на Уровне 4 (отработанные отвержденные композиционные материалы и бракованные детали) и Уровне 5 (детали, срок годности которых истек) - это краеугольный камень переработки композиционных материалов. Среди доступных сейчас технологий - высокотемпературный пиролиз (ELG и Carbon Conversions), жидкостное химическое разрушение полимеров (Adherent Technologies, Альбукерке, штат Нью-Мексико, США) и метод двухэнергетического производства/восстановления волокна пиролизом, разработанный компанией CHZ Technologies (Оберн, штат Алабама, США). Экономическая оценка данных технологий крайне важна для достижения долгосрочного успеха.

Принимая во внимание имеющиеся варианты, производители композиционных материалов должны рассмотреть привлечение компаний, занимающихся переработкой, в цикл производства композиционных материалов наравне с поставщиками волокна, смолы и препрегов. Для этого им нужно быть готовыми вложить деньги в научно-исследовательскую и опытно-конструкторскую деятельность, чтобы помочь развитию данных технологий. В декабре компания Boeing объявила о заключении соглашения с ELG сроком на пять лет о передаче отработанных композиционных материалов, отвержденных (Уровень 4) и неотвержденных (Уровень 3), с 11 производственных объектов в ELG для восстановления углеродного волокна. Это лишь начало, и пора и другим производителям последовать этому примеру. Отговорки не принимаются

Дейл Бросиус - главный специалист по коммерциализации Института инновационного производства композиционных материалов (IACMI), частно-государственного объединения, спонсируемого Министерством энергетики, занимающегося крупномасштабным производством композиционных материалов для энергетических отраслей промышленности, включая автотранспортные средства и ветровую энергию. Он также руководит собственной консалтинговой фирмой, обслуживающей клиентов из индустрии композиционных материалов по всему миру. За свою карьеру он работал в американских компаниях Dow Chemical Co. (Мидленд, штат Мичиган), Fiberite (Темпе, штат Аризона) и ее преемнике Cytec Industries Inc. (Вудленд Парк, штат Нью-Джерси), Bankstown Airport, NSW и в австралийских холдингах Quickstep. Он был председателем подразделений композиционных и термореактивных материалов в Обществе инженеров по переработке пластмасс.  Бросиус имеет степень бакалавра наук химической инженерии Техасского университета A&M и степень магистра делового администрирования.