اختصاصی بسپار/ راهکار جدید برای بازیافت سپرها و مواد تقویت شده با الیاف کربن در خودرو

گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر پژوهشگران روشی تازه برای تولید چندسازه‌ (Composite)های بازیافتی از پسماند خودروهای پایان‌عمر و پسماندهای تولید قطعات از مواد تقویت شده با الیاف کربن (CFRP) توسعه داده‌اند؛ راهکاری که می‌تواند هم‌زمان دو جریان مهم پسماند صنعتی را وارد چرخه استفاده مجدد کند: سپرهای پلی‌پروپیلنی خودرو و پسماند الیاف کربن صنایع خودروسازی.
این فناوری جدید بر تولید مواد چندسازه‌ای از جنس پلی‌پروپیلن بازیافتی (rPP) و الیاف کربن بازیافتی (rCF) تمرکز دارد و به گفته پژوهشگران، می‌تواند راهکاری عملی برای کاهش دفن یا سوزاندن پسماند خودرو و مواد CFRP باشد.

چالش دوگانه پسماند خودرو و CFRP
هر سال میلیون‌ها خودرو به پایان عمر خود می‌رسند و حجم بزرگی از قطعات پلاستیکی آن‌ها به پسماند تبدیل می‌شود. سپرهای خودرو که عمدتا از پلی‌پروپیلن (PP) ساخته می‌شوند، به‌دلیل دشواری سواچینی و محدودیت سامانه‌های بازیافت، اغلب دفن می‌شوند؛ در حالی‌که قابلیت بازیافت مکانیکی دارند.
از سوی دیگر، صنایع تولید قطعات CFRP نیز هنگام برش، قالب‌گیری و فرایند تولید، حجم زیادی پسماند الیاف کربن تولید می‌کنند که معمولا سوزانده یا دفن می‌شوند، با وجود آن‌که بخش زیادی از خواص مکانیکی خود را حفظ کرده‌اند.
پژوهشگران اکنون نشان داده‌اند که می‌توان هر دو نوع پسماند را در قالب یک راهبرد بازیافت ترکیب کرد و مواد مهندسی جدیدی تولید کرد.

تبدیل سپرهای فرسوده به خوراک چندسازه
در این پروژه، مهندسان یک ماده تزریق‌شونده تولید کردند که از پلی‌پروپیلن بازیافتی سپر خودروها (rPP) و الیاف کربن بازیافتی حاصل از پسماند تولید CFRP (rCF) تشکیل شده است. الیاف کربن بازیافتی ابتدا در کوره در دماهای ۵۰۰ تا ۷۰۰ درجه سلسیوس تحت فرایند گرمایی قرار گرفتند و سپس با دستگاه برش چرخشی به طول ۵ میلی‌متر خرد شدند.
پژوهشگران همچنین پلی‌پروپیلن بازیافتی را از چهار سپر جلو و عقب خودروهای فرسوده بازیابی کردند؛ سپرهایی که برخی سالم، برخی آسیب‌دیده و برخی غیرقابل‌استفاده بودند. عمر این سپرها در همه موارد بیش از ۱۵ سال تخمین زده شد. پس از پاک‌سازی و خرد کردن، قطعات پلی‌پروپیلنی به اندازه‌های ۲ تا ۱۰ میلی‌متر تبدیل و برای آمیزه‌سازی (Compounding) آماده شدند. همچنین پلی‌پروپیلن تجاری Moplen HP400H به‌عنوان نمونه مرجع مورد استفاده قرار گرفت.

بهترین شرایط بازیافت الیاف کربن
پژوهشگران با استفاده از تحلیل گرماوزن‌سنجی (TGA)، پایداری گرمایی مواد را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد دما و زمان نگه‌داری هر دو تاثیر قابل‌توجهی بر تخریب ماتریس و حفظ کیفیت الیاف دارند. در نهایت، فرایند گرمایی در دمای ۵۰۰ درجه سلسیوی با زمان نگه‌داری ۶۰ دقیقه به‌عنوان بهترین شرایط بازیافت تعیین شد. به گفته پژوهشگران، این شرایط توانسته تعادل مناسبی میان حذف ماتریس باقی‌مانده و حفظ کیفیت الیاف کربن ایجاد کند، در حالی‌که دماها و زمان‌های بالاتر باعث اکسایش و آسیب سطحی الیاف شده‌اند.

بهبود خواص مکانیکی با الیاف کربن بازیافتی
نتایج آزمون‌ها نشان داد افزودن rCF باعث بهبود خواص مکانیکی پلی‌پروپیلن بازیافتی شده است. بهبودها شامل استحکام کششی، استحکام خمشی، مدول کششی، مدول خمشی و سختی بودند. بر اساس نتایج ترکیب دارای ۵ درصد rCF بالاترین مدول کششی را ارائه داد و برای قطعاتی که سختی اهمیت بیشتری دارد مناسب ارزیابی شد. ترکیب دارای ۱۰ درصد rCF استحکام و سختی بیشتری داشت و برای قطعات باربر و مقاوم به سایش مناسب‌تر شناخته شد
پژوهشگران پیشنهاد کرده‌اند نمونه ۵ درصدی برای قطعات غیرحساس داخلی و محفظه‌ها نمونه ۱۰ درصدی برای براکت‌ها و محفظه باتری کاربرد داشته باشد. با این حال، به‌دلیل کاهش مقاومت ضربه‌ای، استفاده از درصدهای بالاتر الیاف کربن برای قطعات حساس به ضربه یا ایمنی تصادف توصیه نشده است.

گامی به سوی اقتصاد چرخشی خودرو
پژوهشگران معتقدند این فناوری می‌تواند پایه مهمی برای توسعه چندسازه‌های کاملا بازیافتی در صنعت خودرو باشد.
به گفته آن‌ها، این راهبرد علاوه بر کاهش پسماند، می‌تواند به بهبود بهره‌وری انرژی و توسعه اقتصاد چرخشی کمک کند؛ مدلی که در آن مواد به‌جای دفن یا سوزاندن، دوباره وارد چرخه تولید می‌شوند.
با این حال، برای صنعتی‌سازی این فناوری هنوز به تحقیقات بیشتری نیاز است؛ کاهش آسیب الیاف طی بازیافت، بهبود چسبندگی میان الیاف و ماتریس، بهینه‌سازی پارامترهای فرایند وبررسی مقیاس‌پذیری صنعتی و ارزیابی چرخه عمر کامل محصول باید مورد توجه قرار گیرند.