Переработка композитов: раскрытие ценности углеродного волокна из отходов

В апреле 2016 года я написал колонку «Можем ли мы сделать переработанное углеродное волокно привлекательным?». Это было после того, как я увидел на North American International Auto Show в Детройте кровельную панель BMW i8 из видимого, прозрачно-лакированного ковра из углеродного волокна, восстановленного и переработанного из обрезков производства композитов BMW. Тогда это демонстрировало прогрессивное мышление, так как все остальные примеры видимого углеродного волокна на выставке были ткаными тканями, дающими классический «вид» углерода под прозрачной отделкой.

С тех пор произошло многое: различные технологии переработки композитов созрели и породили множество игроков. Переработка привлекла инвестиции венчурных фондов и стратегических инвесторов, например, Hexcel (Стамфорд, США) приобрел долю в Carbon Conversions Inc. (Лейк-Сити, США) в 2016 г., а в декабре 2018 Mitsubishi Corp. (Токио, Япония) купила 25% ELG Carbon Fibre Ltd. (Коузли, Великобритания). Возможно, самое значимое — растущий список конечных применений с переработанными композитами: от люков и скамеек до материалов для 3D-печати.

На конференции Carbon Fiber от CompositesWorld в декабре 2018 спикеры из ELG, Vartega Inc. (Голден, США) и Центра технологий переработки композитов (CRTC, Порт-Анджелес, США) представили свойства переработанных композитов (сравнимые с девственными, по их словам) и уже созданные конечные применения, которые могут создать значительный спрос.

Две основные цели переработки композитов и отходов композитных материалов: первая — избежать захоронения отходов на свалках, вторая, пожалуй, более важная — найти способы восстановления и повторного использования этих материалов в полезных (и прибыльных) применениях. Но какие методы достигают каких целей и какие подходят для разных исходных материалов? Для начала диалога предлагаю классификацию технологий переработки на шесть уровней:

Уровень 0 — минимизация отходов на свалку, ведущаяся за счет повышения расхода материала и повторного использования обрезков в других продуктах внутри того же производства. Включает малоотходные процессы: автоматизированную укладку ленты (ATL) и автоматизированную укладку волокна (AFP) сухого волокна и препрегов, перемалывание или раскрошку обрезков для использования в комбинации с непрерывными или прерывистыми материалами в центральных слоях, или литье под давлением / прессование. Применимо к термореактивным и термопластичным, должно быть приоритетом для всех формовощиков.

Уровень 1 — перепользование отходов, направляющихся на свалку. Включает измельченное, раскрошенное и матовое сухое волокно, а также несвежие или несоответствующие препреги, формоваемые в продукты с менее строгими требованиями. Существует множество переработчиков волокон-отходов и несколько организаций по «перепользованию» препрегов, например, CRTC.

Уровень 2 — взятие отвердевших композитов, а также отходов волокна и неотвердевших препрегов, их раскрошка и комбинирование с дополнительными смолами для связывания в различные панели и продукты, заменяющие металл, дерево и бетон. Сырье может включать ветряки в конце жизни, лодки, авиадетали, автокомпоненты, может быть стекловолокно, углеродное волокно или пенообразное ядро. Global Fiberglass Solutions Inc. (Ботхелл, США) и GreenTex Solutions LLC (Чарлстон, США) — две компании на этом уровне.

Уровень 3 — восстановление волокон из полуфабрикатов: неотвердевших термореактивных и термопластичных препрегов, дающее волокна со свойствами, по сути, эквивалентными исходным, но в основном в дисконтинуальной «пушной» или гранулированной форме, или в виде неканева. ELG и Carbon Conversions (оба пиролиз) и Vartega (сольволиз) предлагают углеродное волокно этого уровня.

Восстановление волокон на Уровне 4 (отвердевшие отходы и бракованные детали) и Уровне 5 (детали в конце жизни) — это «святой грааль» переработки композитов. Доступные технологии: высокотемпературный пиролиз (ELG и Carbon Conversions), мокрое химическое разрушение полимера (Adherent Technologies, Альбукерке, США) и двойной метод пиролитического восстановления энергии/волокна от CHZ Technologies (Оберн, США). Экономическое масштабирование этих технологий будет ключевым для долгосрочного успеха.

Учитывая варианты, композитные формовощики должны рассматривать компании по переработке как часть цепочки поставок композитов наравне с поставщиками волокна, смолы и препрега. При этом они должны быть готовы инвестировать средства НИОКР для помощи этим развивающимся технологиям в достижении зрелости. В декабре Boeing объявил о пятилетнем соглашении с ELG на отправку своих композитных отходов, отвердевших (Уровень 4) и неотвердевших (Уровень 3), с 11 производственных площадок в ELG для восстановления углеродного волокна. Это начало, и пора другим производителям следовать примеру. Без оправданий.