Спасибо за внимание! Готов ответить на ваши вопросы!

Доброе утро, уважаемые участники комиссии и коллеги-магистранты! Позвольте представить вам результаты моей выпускной квалификационной работы на тему, представленную на слайде.

Слайд 1

На сегодняшний день, полимерные композиционные материалы (ПКМ), армированные непрерывным волокнистым наполнителем, являются одним из самых перспективных и востребованных видов материалов для производства ответственных и долговечных конструкций. Они обладают уникальными свойствами, такими как высокая прочность, малый вес, стойкость к агрессивным средам, также они могут перерабатываться в конструкции различной формы и размеров.

В связи со сложностями их естественной деструкции, приоритетностью ресурсосбережения, и ужесточения экологических требований, перспективным методом обращения с отходами ПКМ является их утилизация с извлечением ценных компонентов. Это может положительно сказаться на экономическом состоянии отрасли и себестоимости изделий, также это снизит экологическую нагрузку на окружающую среду.

Однако, как показывают исследования, каждая технология утилизации по-разному влияет на физико-механические характеристики волокна и качество его поверхности, в зависимости от самой технологии и заданных параметров.

Слайд 2

В связи с этим актуальным становится вопрос влияния параметров утилизации отходов ПКМ на физико-механические свойства вторичного волокна. И в дальнейшем управления данными параметрами для получения компромисса между качеством получаемого продукта, экологичностью утилизации и её экономической эффективностью.

Исходя из актуальности проблемы, были поставленыследующие цель и задачи работы,представленные на слайде.

Исходя из этого,объектом исследования в работе служат технологии утилизации отходов полимерных композиционных материалов. Предметом исследования – влияние параметров утилизации отходов ПКМ на свойства получаемого вторичного углеродного волокна.

Слайд 3

Анализ мирового рынка и научно-технической литературы показывает устойчивый рост производства и потребления полимерных композиционных материалов. По прогнозу международных экспертов в период до 2020 года мировой рынок ПКМ будет расти в среднем на 8% в год и вырастет до 23 млн.т. По большей части – это материалы на основе стеклянного волокна (90% от общего числа) и углеродного волокна (около 10%). Оставшиеся объемы это композиционные материалы на основе органических, борных или других видов волокон

Для нашей страны к 2020-2022 году объем внутреннего рынка ПКМ увеличится до 120 млрд. руб., а потребление на человека составит 1,5 кг композитов в год. К наиболее перспективным потребителям ПКМ в нашей стране сегодня можно отнести строительную, транспортную, аэрокосмическую и нефтегазовую отрасли. В целом, это отвечает мировым тенденциям в производстве ПКМ. (схема на слайде)

Слайд 4

По данным крупных производителей, мировые объемы потребления стекло- и углеволокна к 2020 году будут составлять около 4,9 млн. т., а динамика роста объемов их потребления, в среднем, составит около 6% и 7,7% в год, соответственно.

Из графиков видно, что объемы потребления, как стекло, так и углеволокна сейчас находятся на достаточно высоком уровне и имеют тенденцию увеличиваться ежегодно по линейной зависимости.

Однако на графике для углеволокна видно, что после 2020 г. темп роста углеродного волокна начинает скачкообразно расти с каждым годом. Это объясняется замещением традиционных материалов для производства изделий и конструкций, расширения сфер применения углеволокна.

Слайд 5

Однако количество повторно используемых в настоящее время композитов в мире составляет менее 5% из-за их сложного состава, структуры и особенных свойств. Кроме того, использование вторичных волокон в промышленных применениях в настоящее время очень ограничено из-за низкого качества волокна, то есть его геометрических размеров, чистоты поверхности и физико-механических характеристик.

Исследования показывают, что в стекло- и углепластики могут утилизироваться с разным выходом ценных компонентов. Углеродное волокно, в отличие от стеклянного, сохраняет свои физико-механические свойства наиболее полно, так как более устойчиво к агрессивным условиям. Поэтому утилизация углепластиков, как наиболее ценного и сложного в производстве наполнителя, в настоящее время представляет наибольший интерес.

Слайд 6

Что же из себя представляют отходы данных материалов? Их можно разделить на получаемые в ходе производства (препреги, ткани, обрезки, остатки смол, припуски и др.) и их потребления.(табличка на слайде).

Из производственных отходов большая их часть представляет собой бракованные изделия, остатки препрегов и армирующих наполнителей (ткани, нити). С ними легче вести сбор и контроль.

Отходы потребления сложно поддаются оценке, контроль их образования не производится системно. Как правило, это вышедшие из эксплуатации изделия и их элементы (детали обшивки самолетов, строительных материалов для укрепления зданий, мостов и др.).

Слайд 7

На данный момент в мире проведены крупные исследования по разработке новых технологий утилизации отходов углепластиков. Все существующие методы условно подразделяют на следующие направления (схема на слайде).

На данный момент самым распространенным термическим методом извлечения ВУВ является пиролиз. Пиролиз позволяет получить волокна с сохранением, в среднем, 90% первичных механических свойств волокна. Поверхность волокна при этом может содержать некоторое количество пироуглерода, это снижает чистоту поверхности волокна и ухудшает его адгезию к новой матрице.

Среди термо-химических методов самым широко применяемым является сольволиз. Метод сольволиза также позволяет получать волокно с высоким сохранением свойств волокна (до 98%), но используя его также необходимо следить за режимом утилизации, так как при неправильно подобранных условиях на поверхности волокна могут остаться частички матрицы, что также влияет на прочность будущего композита.

На сегодняшний день пиролиз и сольволиз являются самыми перспективными технологиями для утилизации отходов углепластиков. Они позволяют получать волокно с наибольшим сохранением физико-механических свойств, более экономически эффективны.

Слайд 8

Физико-механические свойства ВУВ и его потребительские свойства определяются, прежде всего, факторами производства первичного углеродного волокна и производства самого композита (схема на слайде). Это так называемые первичные параметры. От представленных параметров напрямую зависит состав и свойства будущих отходов, которые будут подвергаться утилизации.

Слайд 9

Также качество будущего материала, произведенного из вторичного волокна обусловлено его жизненным циклом. Эти параметры будут вторичными. Условно их все можно поделить на следующие группы (схема на слайде).

В этой работе было проанализировано влияние только первых двух групп параметров – состава и свойств отходов ПКМ и влияние подбора технологии и условий извлечения вторичного волокна.

Зависимость от состава и свойств отходов, определяется различием в физико-механических свойствах разных матриц и армирующих наполнителей, их комбинации, условиях эксплуатации изделий.

Подбор условий извлечения же обуславливается набором определяющих параметров технологий. Например, для пиролиза важны такие параметры процесса, как температура, давление, вид атмосферы в реакторе. Применительно к низко- или высокотемпературному сольволизу, в этом процессе важны время воздействия, температура и давление, виды применяемых реагентов и другие.

С результатами анализа можно ознакомиться в таблице 2.4, 2.5 (Приложение А).

Данные таблицы показывают как определяющие параметры в разной степени влияют на качество получаемого волокна, в зависимости от параметра, состава и свойств самих отходов.

Также в работе было проведено экспериментальное исследование, результаты которого, приведены далее.

Слайд 10

Целью эксперимента было исследовать влияние условий низкотемпературного сольволиза на механические свойства вторичного углеродного волокна. Исследуемыми параметрами технологии были время обработки, состав отходов, которые подвергались утилизации.

Для проведения исследования были взяты отходы с действующего производства. Это наш Научно-образовательный центр авиационных композитных технологий (НОЦ АКТ). Отходы данного центра преимущественно представляют собой обрезки препрегов, лент, брак при производстве изделий (фотки на слайде)

Условия проведения процесса также представлены на слайде.

Слайд 11

На фотографиях можно видеть ту самую разноориентированность волокна и если приблизить, то можно увидеть, что волокна, находящиеся у поверхности более распушенные (фотки на слайде).

Слайд 12

Далее у всех образцов были исследованы их физико-механические характеристики. Для этого были проведены испытания отдельных волокон на растяжение. В настоящий момент существует несколько методик испытания элементарного углеродного волокна. Это как зарубежные, так и отечественные методики.

В данном эксперименте использовалась методика испытаний углеродного волокна из ГОСТ 32667-2014, как наиболее простая и не требующая специального оборудования для изготовления образцов. Из полученного вторичного волокна были изготовлены соответствующие образцы для дальнейших исследований (фотка образца на слайде).

Слайд 13

После проведения испытаний, все результаты были обработаны, построены диаграммы растяжения и высчитаны определяющие механические характеристики. Диаграммы растяжения для образца волокна, полученного из отходов препрега и углепластика представлены на слайде.

Обе диаграммы имеют классический вид при растяжении высокопрочного и хрупкого материала, какими и являются углеродные волокна. Из данных диаграмм далее были вычислены физико-механические характеристики волокон.

Испытания проводились для пяти видов углеродного волокна: первичного волокна и вторичного волокна, полученного из разных изделий и с разным временем воздействия. Однако в процессе испытаний были получены результаты нагружения только для 10 образцов. Адекватными они были только для 4 образцов – вторичное волокно, полученное из отходов препрега (подвергшиеся сольволизу в течение 3 часов) и из отходов углепластика (также в течение 3 часов).

Связано это как с погрешностями в технологии изготовления образцов, проведения испытаний, так и со сложностями в проведении испытаний. При дальнейших исследованиях этот опыт будет учтен для более качественной подготовки и проведения испытаний.

Слайд 14

Из полученных результатов видно, что у образцов вторичного волокна, по сравнению с первичным, несколько уменьшился диаметр волокна, их прочность на разрыв и модуль жесткости материала.

При этом предел прочности образца волокна, полученного из углепластика, составляет 97,5% от предела прочности первичного волокна. А для образца волокна, полученного из отходов препрега 61%. Для модуля Юнга же это 41% и 35%, соответственно.

Такое снижение свойств волокна можно объяснить условиями протекания утилизации отходов углепластика. Для менее наполненного препрега было необходимо гораздо меньше времени для полной деструкции матрицы. В результате чего волокно, видимо, имело больший процент повреждений и, соответственно, меньшую прочность.

По результатам эксперимента можно сказать, что более монолитные и слоистые структуры требуют увеличения времени воздействия либо же более высоких температур и давлений, смены реакционной смеси. Для препрегов же, по-видимому, достаточно более мягких условий.

Слайд 15

Из проведенного анализа можно сделать выводы о том, что качеством получаемого вторичного волокна можно управлять посредством подбора подходящих условий утилизации. В свою очередь их подбор основывается на составе и свойствах отходов (состав и происхождение, структура, условия производства и эксплуатации). На основе анализа можно составить предполагаемый алгоритм подбора условий утилизации с получением оптимальных свойств вторичного волокна (схема на слайде).

Стоит отметить, что учёт возможностей переработчика и направлений применения вторичного волокна имеет очень важную роль. Так как если мы получим очень качественное волокно, но оно будет иметь высокую стоимость и низкий спрос потребителей, то весь процесс утилизации будет малоэффективным.

Слайд 16

Таким образом, также стоит учитывать и другую сторону – дальнейшие направления применения полученного волокна. Исходя из возможных направлений его использования и требований, предъявляемых к качеству волокна, можно подобрать такие условия, после которых полученное волокно будет соответствовать им в наиболее полной мере. И при этом можно дополнительно учесть экономическую эффективность и возможное воздействие на окружающую среду, что тоже немало важно.

Например, одно из направлений применения вторичного волокна – изготовление небольших объемных BMC (Bulk Moulding Compound) и листовых SMC (Sheet Moulding Compound) изделий, которые применяются для производства деталей корпуса автомобилей, поддонов, декора интерьеров гражданских самолетов и др.

Соответственно к такому волокну предъявляются повышенные требования по его качеству. Из опыта зарубежных компаний, такое сырье получают с помощью термических или термохимических методов. Для получения такого волокна больше всего подойдут отходы препрегов, тонкостенных изделий, из которых можно восстановить волокно требуемого качества не применяя сложные условия утилизации.

Таблица с рекомендациями может помочь выбрать подходящие условия утилизации, исходя из возможностей переработчика и направлений использования волокна в дальнейшем. Рекомендации требуют уточнения исходя из состава и структуры поступающих отходов.

Слайд 17

Подводя итоги работы, можно сделать следующие выводы, представленные на слайде.

Слайд 18

На этом слайде представлены материалы, опубликованные в рамках темы работы

Спасибо за внимание! Готов ответить на ваши вопросы!