从风力涡轮机作为回收玻璃纤维填料的聚(氯乙烯)

文摘

介绍的方法使用玻璃纤维和碳沉积(GFCD),来自风力涡轮叶片的回收,生产的复合材料聚(氯乙烯)(PVC)。复合材料包含从1到15 wt %的GFCD由增塑plastographometer然后按。加工性能和性能进行了研究。在静态张力机械性能、冲击强度和热稳定性测定。玻璃化转变温度也决定通过动态机械热分析(DMTA)。15 wt %的比例GFCD发现了不影响加工性能的变化,热稳定性和玻璃化转变温度。绝对GFCD / PVC复合材料的特点是一个更大的弹性模量和拉伸强度和冲击强度同时减少。与扫描电镜的分析揭示了填料和聚合物矩阵之间的附着力好。

1。介绍

获得能源替代资源是一个地区的经济,近年来日益增长。特别强烈的风力发电行业的发展是生产能力超过(只有在欧洲)168年的2017千瓦(1]。转子和其他建设风电场设备的结构组成,大量的基于化学固化复合材料树脂与玻璃纤维增强使用(2,3]。估计预测,从2040年开始,世界上废弃的风力涡轮机转子的数量将达到每年38万吨4]。

三个主要程序处置废弃的风力叶片,即存储,焚化或回收5,6]。这种类型的废物的收集和存储闭环经济,因为它是一个严重的障碍阻止了原材料的重用。因此,广泛的研究等如何重用材料正在进行中(7]。的一种方式回收热固性和chemosetting与玻璃纤维复合材料是他们分裂(机械回收)。通过这样做,获得一个填料,可用于修改各种材料,包括聚合物复合材料(7- - - - - -14]。

的风力涡轮机叶片也可以热回收焚烧和热解。在焚烧过程中,大量的能量恢复,其余无机部分是用作建筑材料(收费15- - - - - -18]。热解过程中风力涡轮机的浪费,其聚合物矩阵分解为液态和气态有机化合物,然后用于化工和电力行业。玻璃纤维也热解的产物。而不是焚烧、热解是在较低温度和厌氧条件下执行的,这不会改变玻璃纤维的形式。因此,这些纤维可重用于生产聚合物复合材料(19- - - - - -21]。

保利(氯乙烯)复合材料找到许多应用程序在不同的分支经济。他们是不可替代的生产外观元素,家具,门窗型材,,配件,盘子和下水道。这样一个广泛使用的PVC的结果易受各种修改它的加工性能和性能特征。这种聚合物的特点是耐气候条件好,化学物质,长期使用和稳定的属性(22]。

本文的目的是创建和分析利用玻璃纤维的可能性获得热解回收废弃的风力涡轮机组件作为保利(氯乙烯)填料。

2。实验

2.1。材料

干燥的聚(氯乙烯)(PVC)的复合PVC S61 (Anwil SA、波兰)(100 phr),热稳定器马克17 MOK(记述、德国)(4 phr),和蜡Loxiol含(德国汉高)(1 phr)。

玻璃纤维来自风力发电机复合材料包含的热解炭沉积表面的1.8 wt % + / - 0.5 wt % (GFCD)用作填料。在微波反应器热解过程进行了氮气氛。反应堆产生的微波加热400 - 600°C,导致化学固化树脂的瓦解到油相,气相直接从反应堆中删除恢复玻璃纤维时离开。热解过程以及纤维的基本分析提出了论文(19,20.]。图1(左)显示使用的纤维光学显微镜图像。单个纤维的长度范围从0.15到4毫米直径(平均纤维长度2.45毫米)和从13到20μ15.3米(平均纤维直径μ米)。使用的纤维复合制备过程缩短。为了确定实际的纤维长度、PVC复合样品溶解在四氢呋喃和填料分离解决方案。图1(右)显示了一个微观纤维与复合分离的图像。在复合纤维的长度范围从0.03毫米到0.6毫米(纤维平均长度0.25毫米)。

2.2。制备复合材料

干混合使用高速混合机混合填料量的1、3、5、10和15 wt % GFCD分别。获得的混合增塑处理在Brabender plastographometer室。分别处理条件,室温度190°C,主旋翼速度30 ,室自由体积50厘米³,处理时间10分钟。在这项研究中,它已经决定在一个常数来测量电荷质量66克(23- - - - - -26]。冷却PVC / GFCD地面使用的实验室轧机齿轮滚刀(自己设计)配备一个筛孔直径4毫米。获得的材料与液压机压形成板块(120 x 120毫米,厚度1毫米,2毫米和4毫米)。紧迫的条件下,分别温度190°C,预热时间2分钟,紧迫的时间2分钟,12 MPa的压力。从获得的复合材料板,标本进行进一步的测试。参考材料,PVC混合没有纤维,在相同条件下处理。

2.3。加工性能测定

确定加工性能进行了在处理混合plastographometer室(部分中描述的方法2。2),同时记录捏材料的扭矩和温度的变化。一个模范plastogram PVC加工包含5 wt % GFCD如图2。plastographometric研究,确定特定的值: ,最大扭矩在熔点(X); ,在熔点温度; ,时间达到熔点; ,在终点扭矩;和 ,在终点温度。4测量的平均结果。

2.4。热稳定性的测定

的热稳定性与刚果红法确定。材料样品处理后(0.5 g)被放置在一个玻璃试管的内径4.7毫米和0.65毫米的壁厚。在测试管的上部,刚果试纸插入到3毫米的深度。管被放置在一个站,以便让其最终沉浸在油浴加热到200°C。测试的结果是时间后,材料被摧毁和氯化氢作为聚氯乙烯分解产物27),确定作为第一个试纸的颜色的变化,可见。给出的结果是三个测量的平均值。

2.5。热重量分析

热重测试进行了209年使用TG F3 Netzsch集团(德国,Selb)设备,在温度范围30 - 900°C, 10°C /分钟的速度,在空气气氛。样品的重量是10到16毫克。每个材料的测量是分钟。重复3次。TGA测试的标本来自压盘准备测试的力学性能。从温谱图的分析,热稳定性的温度(T_5%)被描述。温度的热稳定性定义为温度5 wt %减肥标本的观察。Undecomposed燃烧后残留在900°C (RM)也成立。从壳体曲线,温度是决定高分子材料分解的最强烈的( )。TGA分析使用的填料在相同条件下进行。

2.6。机械性能测定

静态张力测定的力学性能符合EN ISO 527。标准化测试标本(1型)使用数控铣床被削减。测试速度是10毫米/分钟。最大的压力最大应力和应变测定。

夏比冲击试验进行了符合EN ISO 170 - 1。测试的标本没有等级从压剪板使用数控铣床。一个钟摆的名义冲击能量4 J用于测试。

2.7。测定玻璃化转变温度

玻璃化转变温度( )确定的基础上变化的值存储模量(E′)和损耗角正切( )这取决于温度。测试进行了使用DMA阿耳特弥斯设备从Netzsch集团(德国,Selb)。确定是在三点弯曲系统(间距支持20毫米,试样宽度10毫米,厚度1毫米),10株μm的温度范围25°C - 120°C的增加率2°C /分钟。压力是1赫兹的频率。相对较小的振幅、低频率允许应变测量线性粘弹性范围和低价值的损耗模量28,29日]。玻璃化转变的范围被的价值特征决定开始快速下降值E′(发作)和最大的峰值(30.]。

2.8。统计分析

平均值之间的差异来确定意义分析了学生t以及采用独立样本。计算进行了使用原点Pro 8.6软件使用两个示例t检验。平均值的比较进行了成对在0.05的显著性水平。

3所示。结果与讨论

数据3- - - - - -5现在plastographometric测量的结果。

一个添加GFCD PVC导致显著减少混合处理的融合时间。什么是重要的,加速融合的PVC / GFCD复合材料不与熔点扭矩和温度的变化。的价值的加工PVC混合包含从0到15 wt %的填料在32 - 35海里的范围略有变化。减少4°C相比,缺材料填充量的增加到15 wt %;然而,这种变化应该解释为材料加工时间短,而不是加工性能的变化。这是证明的价值分析和 。发现GFCD比例的提高PVC 15 wt %并没有显着影响的最后记录扭矩和最终温度的混合处理。基于plastographometric分析,可以得出结论,填料的加入有利于PVC颗粒的瓦解31日),这决定了它更快的融合,但这填充PVC的加工性能不会造成实质性的变化。

一个适当的生产PVC复合材料基于矩阵,它是必要的,以确定他们的热稳定性。热稳定性决定了近似的时间可能的PVC加工时间在给定温度,而温度的热稳定性决定了温度高于聚氯乙烯分解迅速。之间的关系的PVC / GFCD复合材料热稳定性和填料比例如图6。结果添加填料的3%的时间减少2分钟比未改性PVC的热稳定性。没有显著改变复合材料的热稳定性的GFCD被发现含有3%至15%。

也略微降低的热稳定性(由TGA方法)PVC泡沫和玻璃纤维中指出[32]。作者解释说,这是由于更大的热导率的玻璃纤维可能加速热量的渗透进了PVC矩阵及其降解更快。然而,应该注意的是,加速融合的复合材料(在15%的情况下GFCD内容超过3分钟)导致较长的处理时间组合在更高的温度和更高的剪切力。这无疑会影响复合材料的热稳定性。然而,复合材料的热稳定性的时间分钟17 - 21的范围区间在200°C允许适当的处理在相同条件下的空PVC。

数据7和8会展现出TGA和壳体曲线的聚(氯乙烯),填料使用,包含5和15 wt %的GFCD和复合填料。分析结果表1。

填料的TGA热的温度范围450 - 650°C, c.a。2 wt %观察初始样本的质量损失。这是与碳的分解热解后残留物。PVC和PVC / GFCD复合材料的分解发生在两个阶段。首先,在温度范围约260 - 340°C, PVC大分子的催化脱氯化氢作用和分解产物的释放盐酸的形式在一个约。53 wt %与PVC质量发生(27,33,34]。与此同时,在大分子的结构活性点,分离后的Cl^∙和H^∙自由基,形成多烯双键和创建的组。另外发布的副产品盐酸催化作用,加速对PVC大分子的破坏。在下一阶段的分解温度范围340 - 600°C,二次交联多烯结构氧化和残炭烧成有限公司₂(33,34]。燃烧的残留物在900°C (RM)显示确定剩下的不燃物质的数量在TGA测试。后的残渣TGA测试复合填料比例成正比。它包括无机聚氯乙烯燃烧后残留和矿物填料的部分。

复合材料和未改性PVC展示类似的热稳定性、温度定义为温度的损失5%的原样品重量发生(T_5%)。根据数据分析,添加填料的检测浓度范围不显著改变材料的温度的热稳定性。壳体的最大峰值,这决定了最强烈的聚氯乙烯分解的温度,也发生在一个类似的温度对所有材料和其强度的差异分析结果只从适量的复合聚合物基质。

GFCD PVC原因减少的冲击强度和拉伸强度(数字9和10)。未改性PVC的标本没有破碎冲击试验。与1 wt %展示了PVC / GFCD复合材料冲击强度的53 kJ / m²,而填料含量的增加15 wt %造成了冲击强度降低到18 kJ / m²。抗拉强度的降低是观察到的只有5%以上的复合GFCD内容。材料包含15 wt %填料的特点是价值低23%PVC相比有轻微的变化 。

生产复合材料的方法用于本文影响纤维的随机安排也坐落在代理力量通过标本;这是另外可见低温裂缝的研究材料(数据13和14),从而加强效应是不可见的(35,36]。减少PVC复合材料的冲击强度和拉伸强度与纤维填充物是作品中描述32,37]。然而,在大多数情况下,添加玻璃纤维在热塑性塑料的影响增加讨论了力学性能(38- - - - - -42]。冲击强度和拉伸强度的降低可能是由于GFCD之间的附着力不足和PVC或恶化的热解过程中纤维的力学特性。

图11显示变化的课程在弯曲模量E′取决于温度。DMTA分析的特征值表中给出2。显著提高材料硬度指出随着GFCD含量增加聚合物矩阵。在25°C, E′的价值增加了37%和15%的份额填充PVC。增加了复合材料的刚度也保存在玻璃化转变区域。

基于DMTA分析,测试了材料的玻璃化转变温度的值确定。的值确定的变化值E′和价值(图12)不依赖于内容的GFCD聚合物矩阵。不同的价值观不超过1°C,应该被认为是无关紧要的,和他们的描述没有填充的PVC值接近。这些结果表明,填料应用不会引起重要的变化在聚合物基质的相互作用在分子水平上。

数据13和14现在的例子扫描电镜研究材料的低温裂缝的图像。复合纤维的大多是均匀分布在聚合物基质;然而,几簇的存在纤维在复合材料填充内容观察10 wt %以上。由于材料的生产方法,排列的纤维不显示方向;即。,the fibres are arranged at various angles. There were no clear caverns at the filler-polymer matrix interface. Compared to other thermoplastic composites with glass fibre, no open spaces were found after the elongated fibres, and the broken single GFCD fibres protruded only slightly beyond the plane of the polymer matrix fracture. At the fracture surface, the remaining fibres, set across the crack boundary, are also observed, although they have been broken.

根据这些观察,可以得出的结论是,有一个相对PVC之间的附着力,使用的玻璃纤维含有碳沉积在其表面(39,43]。没有明显的加固效果同时恶化的附着力好证实了纤维的性质,还描述了在16,19]。

4所示。结论

基于实验,发现可能获得PVC复合材料与玻璃纤维与碳沉积,形成在热解回收的风力涡轮机。

获得复合材料展示PVC相比非常相似的加工性能和生产过程不应涉及的困难相比,传统的PVC加工。的百分比GFCD影响温度的热稳定性和热稳定性的时间是非常重要的对于保利(氯乙烯)复合材料。纤维用于PVC的百分比的增加会明显增加获得复合材料的弹性模量,同时减少价值的抗拉强度和冲击强度。这种类型的性能变化是许多热塑性复合材料典型的含有惰性填料。因此,获得的属性不排除该PVC / GFCD复合材料的应用。

热解回收的发展风力涡轮叶片或其他类似化学固化复合材料制成的产品,将创建大量的玻璃纤维,根据研究,可以成功地用于修改保利(氯乙烯)。

数据可用性

数据将在请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究受到了欧洲区域发展基金(POIR.01.01.01-00-0558/15-00)。

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