TÁI CHẾ XƠ SỢI CACBON TỪ VẬT LIỆU COMPOZIT

Tác giả: TS. Phạm Thị Tốt
Đơn vị: Khoa CNSD

1. Giới thiệu

Việc nghiên cứu để tạo ra các vật liệu mới có các tính năng vượt trội như siêu nhẹ, siêu bền để sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ, ngành sản xuất ô tô đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Một trong các vật liệu được nghiên cứu nhiều để thay thế cho các vật liệu kim loại là vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon do có đặc tính chịu nhiệt tốt, có độ bền cao, khả năng dẫn điện tốt,… [1-4].

Hình 1. Vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon sử dụng trong các  lĩnh vực khác nhau [5]

Vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon (thường được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như thể thao, hàng không, vận tải và xây dựng. Tuy nhiên trong quá trình sản xuất và sử dụng vật liệu này sẽ tạo ra nhiều chất thải gây ô nhiễm môi trường. Với nhu cầu sử dụng vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon hàng năm tăng khoảng 12% kể từ năm 2010 [6]. Do lượng xơ sợi cacbon nguyên chất được sử dụng dưới dạng nguyên liệu thô chiếm 40% tổng lượng cacbon, nhu cầu về xơ sợi cacbon trên toàn thế giới dự kiến sẽ vượt xa nguồn cung vào năm 2030 [7,8]. Theo dự kiến vào năm 2044 tại Trung Quốc các ngành hàng không và năng lượng điện gió dự kiến sẽ thải ra khoảng 97.000 tấn rác thải vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon [9]. Việc tái chế xơ sợi cacbon sẽ làm giảm nhu cầu sử dụng xơ sợi cacbon mới giúp giảm sử dụng năng lượng và phát thải khí nhà kính. Ngoài ra việc tái chế xơ sợi cacbon góp phần vào việc phát triển nền kinh tế tuần hoàn không chất thải.

Hình 2. Lợi ích của việc sử dụng xơ sợi cacbon tái chế

2. Công nghệ tái chế xơ sợi cacbon

Tái chế xơ sợi cacbon có vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất vật liệu góp phần đảm bảo phát triển nền kinh tế bền vững và giảm thiểu rác thải. Có ba loại rác thải chứa xơ sợi cacbon gồm chất thải từ quá trình sản xuất, bán thành phẩm của quá trình sản xuất và chất thải sau quá trình sử dụng [10]. Quy trình tái chế xơ sợi cacbon được minh họa trong hình 3. Có nhiều phương pháp tái chế xơ sợi cacbon như phương pháp cơ học, phương pháp nhiệt học, phương pháp hóa học.

Hình 3. Các nguồn thải xơ/sợi cacbon có thể sử dụng để tái chế trong công nghiệp [10]

2.1. Phương pháp tái chế cơ học

Phương pháp tái chế cơ học là phương pháp thu hồi xơ/sợi cacbon từ vật liệu compozit bằng cách nghiền, mài hoặc băm nhỏ vật liệu. Vật liệu compozit được băm nhỏ đến kích thước 50-100mm bằng máy cắt tốc độ chậm. Phương pháp tái chế cơ học tiết kiệm năng lượng so với phương pháp tái chế nhiệt học và hóa học vì phương pháp này sử dụng năng lượng ít hơn do vậy mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn. Tuy nhiên phương pháp tái chế cơ học có nhược điểm là chiều dài xơ/sợi cacbon thu hồi ngắn nên liên kết giữa xơ sợi và vật liệu nền kém, khả năng liên kết giữa các xơ sợi giảm dẫn đến các đặc tính cơ lý của sản phẩm sử dụng xơ/sợi cacbon tái chế cũng kém.

Kết quả so sánh mức độ tiêu thụ năng lượng của các phương pháp tái chế được thể hiện cụ thể trên hình 4 [11]. Kết quả cho thấy phương pháp tái chế cơ học tiêu thụ năng lượng thấp hơn nhiều so với tái chế nhiệt học và hóa học.

Hình 4. Mức độ sử dụng năng lượng để tái chế xơ/sợi cacbon từ vật liệu compozit sau sử dụng bằng các phương pháp tái chế khác nhau [11]

Phương pháp tái chế cơ học thường được sử dụng ở giai đoạn đầu của quá trình tái chế. Sau khi vật liệu được nghiền thành các mảnh nhỏ thì được sàng lọc và phân tách thành các hạt theo từng kích thước để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Theo công trình nghiên cứu của nhóm tác giả Palmer, nhóm nghiên cứu đã sử dụng xơ sợi cacbon tái chế thay thế cho xơ sợi thủy tinh trong các hợp chất khuôn đúc (SMC). Xơ cacbon tái chế có kích thước 0,5 đến dưới 10 mm sẽ được trộn với xơ thô có kích thước lớn hơn 10 mm để tạo ra vật liệu SMC. Vật liệu này có tính chất cơ lý tương đương với vật liệu compozit cài xơ/sợi thủy tinh nguyên chất [12]. Một công trình nghiên cứu khác của nhóm tác giả H. Li đã nghiên cứu tái chế xơ/sợi cacbon từ chất thải sau quá trình sử dụng của ngành hàng không. Xơ sợi cacbon thu hồi dưới các điều kiện tái chế khác nhau và được nghiên cứu đặc điểm cấu trúc, đặc tính cơ lý. Kết quả cho thấy độ bền uốn của vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon tái chế chỉ bằng 10% so với vật liệu compozit ban đầu trong khi độ cứng đạt 50% [13].

2.2. Phương pháp tái chế nhiệt học

Phương pháp tái chế nhiệt học là phương pháp sử dụng nhiệt độ cao từ 450-700^oC để đốt cháy các chất phụ chỉ giữ lại những chất mong muốn. Thông thường nhiệt độ thích hợp để sử dụng trong phương pháp này sẽ được xác định dựa vào nhiệt độ hóa lỏng của vật liệu nền trong compozit. Nếu nhiệt độ quá thấp thì chưa loại bỏ được các chất phụ gia còn nếu nhiệt độ quá cao sẽ gây phá hủy cả vật liệu cần tái chế.

2.2.1. Tái chế bằng phương pháp tầng sôi

Quá trình phân hủy nhiệt vật liệu nền bằng cách hóa lỏng và thu hồi các chất phụ gia ở tầng sôi. Phương pháp này có hiệu quả cao do vật liệu được làm nóng nhanh bằng luồng khí đồng thời cung cấp lượng nhiệt cần thiết để loại bỏ các xơ/sợi đơn khỏi vật liệu. Các xơ/sợi đơn và các chất phụ gia sau khi được tách ra thì được đưa vào buồng đốt thứ cấp có nhiệt độ cao và bị oxi hóa hoàn toàn. Vật liệu compozit thải được cắt thành mảnh nhỏ có kích thước khoảng 25 mm, sau đó đưa vào tầng sôi và hóa lỏng ở nhiệt độ khoảng 450-550^oC. Với phương pháp này thì các xơ/sợi cacbon sẽ thu hồi được nhiều nhất.

Trong hơn một thập kỷ qua, nhóm nghiên cứu tại trường đại học Nottingham đã tập trung nghiên cứu phát triển phương pháp tầng sôi để thu hồi xơ/sợi cacbon từ vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon [14,15]. Phương pháp tầng sôi để thu hồi vật liệu được minh họa trong hình 5. Lớp vỏ ngoài được làm từ thép không gỉ gồm 3 tầng. Mỗi tầng sôi được làm bằng cát silic và được gắn bằng lưới thép không gỉ đục lỗ. Hai tầng phía trên ở dạng rỗng để cho cát lỏng thoát ra. Thiết bị được gia nhiệt bằng một điện trở có công suất 43 kW, không khí đã được đun nóng đến nhiệt độ xác định. Ống dẫn trên cùng được đặt trong một thùng chứa để ngăn và chuyển hướng không khí nóng về phía các tầng. Luồng khí nóng được điều chỉnh bằng van điều khiển. Vật liệu được chứa trong thùng và được cung cấp bằng van nạp nguyên liệu ở vị trí phía trên lò.

Hình 5. Quy trình tái chế xơ/sợi cacbon từ vật liệu compozit [15]

2.2.2. Tái chế bằng phương pháp nhiệt phân

Nhiệt phân là một phản ứng hóa học phân hủy các hợp chất hữu cơ không chứa oxi trong vật liệu compozit để tách xơ/sợi cacbon và tái chế chúng. Phương pháp này sẽ tạo ra xơ/sợi cacbon tái chế có đặc tính cơ lý tương đương với xơ/sợi cacbon ban đầu. Tùy thuộc vào vật liệu nền và xơ sợi được gia cường mà nhiệt độ nhiệt phân sẽ khác nhau, thông thường từ 400^oC đến 1000^oC. Do các hợp chất hữu cơ không chứa oxi nên các hợp chất này không bị cháy mà sẽ bị oxi hóa thành các hợp chất khác. Các chất lỏng được thu hồi có thể sử dụng trong sản xuất dầu hoặc các hóa chất khác, các khí thoát ra (CO₂, H₂, CH₄,…) có tác dụng duy trì nhiệt cho phản ứng nhiệt phân [16].

Theo công trình nghiên cứu của tác nhóm tác giả Meyer đã thu hồi xơ/sợi cacbon từ máy bay sau quá trình sử dụng. Họ đã tối ưu hóa quá trình nhiệt phân và chuyển sang quy mô tái chế bán công nghiệp trên thiết bị lò cao. Xơ/sợi cacbon tái chế có đặc tính khá tốt và có thể sử dụng thay thế cho xơ/sợi cacbon ban đầu. Xơ sợi cacbon thu hồi từ quá trình này có thể thay thế xơ sợi cacbon mới trong ngành sản xuất vật liệu compozit có gia cường xơ/sợi cacbon [16].

Nhóm tác giả Guo đã nghiên cứu tái chế xơ/sợi cacbon từ vật liệu compozit sau quá trình sử dụng bằng cách phân loại chất thải ban đầu theo kích thước, lựa chọn thời gian và nhiệt độ nhiệt phân của từng công đoạn hợp lý đã mang lại hiệu quả cao cho quá trình tái chế. Xơ/sợi cacbon tái chế có đặc tính cơ lý tương đương so với xơ/sợi cacbon ban đầu, độ bền kéo đứt đạt 90,19%, độ dẫn điện đạt 70% và độ đàn hồi đạt 95,22%. Sơ đồ quá trình tái chế xơ sợi cacbon từ vật liệu compozit bằng phương pháp nhiệt phân được thể hiện trong hình 6 [17].

Hình 6. Sơ đồ quy trình tái chế xơ/sợi cacbon bằng phương pháp nhiệt phân [17]

2.3. Phương pháp tái chế hóa học

Tái chế hóa học là sử dụng các hóa chất, dung môi hữu cơ và dung dịch siêu tới hạn để xử lý các vật liệu cần tái chế. Trong phương pháp này có sử dụng hóa chất do vậy sẽ làm thay đổi thành phần vật liệu tái chế nên chỉ được sử dụng làm nguyên liệu thô để sản xuất các vật liệu mới. Ở nhiệt độ xác định khi hòa tan trong axit nitric loãng và hydro peroxide có thể đạt tới mức độ phân hủy compozit lên đến 95%. Khi sử dụng Acetone và hydrogen peroxide, dimethylformamide và hydrogen peroxide để tái chế xơ/sợi cacbon với mức độ phân hủy vật liệu nền từ 90% đến 97% [18]. Phương pháp tái chế hóa học có nhiều ưu điểm như xơ/sợi cacbon tái chế có độ tinh khiết cao, chiều dài xơ/sợi không thay đổi, hiệu quả tái chế cao. Tuy nhiên phương pháp này lại yêu cầu lò phản ứng chịu được áp suất, nhiệt độ cao và chống lại sự ăn mòn của hóa chất.

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng dung dịch siêu tới hạn thay thế cho các loại hóa chất như rượu, amoniac và dung môi hữu cơ để giảm thiểu tác động đến môi trường. Nhóm tác giả Das đã nghiên cứu thu hồi xơ/sợi cacbon từ chất thải sau sử dụng của ngành hàng không bằng cách sử dụng H₂O₂ và CH₃COOH. Kết quả nghiên cứu cho thấy xơ/sợi cacbon thu hồi được có độ bền kéo đứt và độ đàn hồi tương đương với xơ/sợi cacbon ban đầu. Hiệu suất tái chế đạt trên 90%. Các hóa chất sử dụng trong quá trình tái chế có thể thu hồi được hoàn toàn [19].

3. Kết luận

Việc thu hồi và tái chế xơ sợi cacbon để tái sử dụng là rất quan trọng, góp phần vào phát triển nền kinh tế bền vững. Các phương pháp tái chế xơ sợi cacbon bao gồm phương pháp cơ học, phương pháp nhiệt học và phương pháp hóa học. Mỗi phương pháp tái chế đều có đặc điểm, quy trình tái chế và tiềm năng ứng dụng riêng. Phương pháp tái chế cơ học và nhiệt phân có tiềm năng ứng dụng và phát triển ở quy mô công nghiệp. Phương pháp hóa học có hiệu suất thu hồi cao nhưng lại gây ra những vấn đề về môi trường. Các nhà khoa học đang nỗ lực nghiên cứu để tìm ra phương pháp tái chế có hiệu suất cao, thân thiện môi trường và có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp.

4. Tài liệu tham khảo

[1]. J. A. Bencomo, S. T. Iacono, J. McCollum, (2018), 3D printing multifunctional fluorinated nanocomposites: tuning electroactivity, rheology and chemical reactivity, J. Mater. Chem., A 6, pp. 12308–12315.

[2]. R. Gogoi, A. K. Maurya, G. Manik, (2022), A review on recent development in carbon fiber reinforced polyolefin composites, Compos. Part C Open Access 8.

[3]. V. Dikshit, G. D. Goh, A. P. Nagalingam, G. L. Goh, W. Y. Yeong, (2020), Chapter 17 – Recent progress in 3D printing of fiber-reinforced composite and nanocomposites, Fiber-Reinforced Nanocomposites: Fundamentals and Applications, Elsevier, pp. 371–394.

[4]. G. D. Goh, S. J. C. Neo, V. Dikshit, W. Y. Yeong, (2022), Quasi-static indentation and soundabsorbing properties of 3D printed sandwich core panels, J. Sandwich Struct. Mater., 24, pp. 1206–1225.

[5]. Y. Wang, A. Li, S. Zhang, B. Guo, D. Niu, (2023), A review on new methods of recycling waste carbon fiber and its application in construction and industry, Constr. Build. Mater.

[6]. Composites Market Report 2017: Market Developments, Trends, Outlook and Challenges | PDF | Composite Material | Fibre Reinforced Plastic. Scribd, n.d. https://www.scribd.com/document/551679099/composites-market-report-2017 (accessed 22 July 2023).

[7]. J. Zhang, V.S. Chevali, H. Wang, C.-H. Wang, (2020), Current status of carbon fibre and carbon fibre composites recycling, Compos. Part B Eng. 193.

[8]. The outlook for carbon fiber supply and demand, CompositesWorld n.d. https://www.compositesworld.com/articles/the-outlook-for-carbon-fiber-supply-and-demand (accessed 23 July 2023).

[9]. A. Akbar, K.M. Liew, (2020), Assessing recycling potential of carbon fiber reinforced plastic waste in production of eco-efficient cement-based materials, J. Clean. Prod., 274.

[10]. O. Saburow, J. Huether, R. Maertens, A. Trauth, Y. Kechaou, F. Henning, et al., (2017), A direct process to reuse dry fiber production waste for recycled carbon fiber bulk molding compounds, Procedia CIRP, 66, pp. 265–270.

[11]. M. Rani, P. Choudhary, V. Krishnan, S. Zafar, (2021), A review on recycling and reuse methods for carbon fiber/glass fiber composites waste from wind turbine blades, Compos. Part B Eng., 215.

[12]. J. Palmer, L. Savage, O.R. Ghita, K.E. Evans, (2010), Sheet moulding compound (SMC) from carbon fibre recyclate, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., 41, pp. 1232–1237

[13]. H. Li, K. Englund, (2017), Recycling of carbon fiber-reinforced thermoplastic composite wastes from the aerospace industry, J. Compos. Mater. 51, pp. 1265–1273.

[14]. H.L.H. Yip, S.J. Pickering, C.D. Rudd, (2002), Characterisation of carbon fibres recycled from scrap composites using fluidised bed process, Plast. Rubber Compos., 31, pp. 278–282.

[15]. S.J. Pickering, R.M. Kelly, J.R. Kennerley, C.D. Rudd, N.J. Fenwick, (2000), A fluidised-bed process for the recovery of glass fibres from scrap thermoset composites, Compos. Sci. Technol., 60, pp. 509–523.

[16]. L.O. Meyer, K. Schulte, E. Grove-Nielsen, (2009), CFRP-recycling following a pyrolysis route: process optimization and potentials, J. Compos. Mater., 43, pp. 1121–1132.

[17]. L. Guo, L. Xu, Y. Ren, Z. Shen, R. Fu, H. Xiao, et al., (2022), Research on a two-step pyrolysis-oxidation process of carbon fiber-reinforced epoxy resin-based composites and analysis of product properties, J. Environ. Chem. Eng., 10.

[18]. L. Giorgini, T. Benelli, G. Brancolini, L. Mazzocchetti, (2020), Recycling of carbon fiber reinforced composite waste to close their life cycle in a cradle-to-cradle approach, Curr. Opin. Green Sustain. Chem., 26.

[19]. M. Das, R. Chacko, S. Varughese, (2018), An efficient method of recycling of CFRP waste using peracetic acid, ACS Sustain. Chem. Eng., 6, pp. 1564–1571.