На сьогоднішній день ми спостерігаємо різке зростання рівня споживання композиційних матеріалів, так світовий ринок композитів, що супроводжує істотним накопиченням в техносфери відходів композиційних матеріалів, запаси яких щорічно збільшуються на 9 млн тонн / рік. При цьому в країнах ЄС утилізації піддається не більше 10% композиційних матеріалів, інша частина розміщується в навколишньому середовищі або направляється на спалювання. У Росії 100% відходів композиційних матеріалів направляється на поховання. З урахуванням значного терміну розкладання в навколишньому середовищі (близько 200 років), проблема пошуку технологій утилізації відходів композиційних матеріалів є актуальним завданням.

Анотація наукової статті за технологіями матеріалів, автор наукової роботи - Куликова Юлія Володимирівна, Слюсар Наталія Миколаївна, Шайдурова Галина Іванівна


ANALYSIS OF WASTE COMPOSITE MATERIALS UTILIZATION PROBLEMS

Nowadays, we could see the worldwide sharp increase in the composite materials consumption, this leads to the significant accumulation of composite materials in the technosphere. The stock of composite materials annually increasing by 4 million tons. At the same time in the EU countries, no more than 10% of composite materials are recycled and the rest is placed in the environment or sent for burning. In Russia, 100% of composite materials waste is sent to a disposal site. Taking into account significant period of destruction in the environment (about 2,000 years), the problem of finding technologies for composite materials waste utilization is an urgent task.


Область наук:

  • технології матеріалів

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал

    Бюлетень науки і практики


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ КОМПОЗИЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ»

    ?УДК 504: 539.422.53

    АНАЛІЗ ПРОБЛЕМИ УТИЛІЗАЦІЇ ВІДХОДІВ КОМПОЗИЦІЙНИХ

    МАТЕРІАЛІВ

    ANALYSIS OF WASTE COMPOSITE MATERIALS UTILIZATION PROBLEMS

    © Куликова Ю. В.

    канд. техн. наук Пермський державний технічний університет г. Пермь, Росія, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    © Kulikova Yu.

    Ph.D., Perm National Research Polytechnic University Perm, Russia, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    © Слюсар Н. Н. канд. техн. наук Пермський державний технічний університет г. Пермь, Росія, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    © Slyusar N.

    Ph.D., Perm National Research Polytechnic University Perm, Russia, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. © Шайдурова Г. І. д-р. техн. наук Пермський державний технічний університет г. Пермь, Росія, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    © Shaidurova G.

    Dr. habil.

    Perm National Research Polytechnic University Perm, Russia, Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Анотація. На сьогоднішній день ми спостерігаємо різке зростання рівня споживання композиційних матеріалів, так світовий ринок композитів, що супроводжує істотним накопиченням в техносфери відходів композиційних матеріалів, запаси яких щорічно збільшуються на 9 млн.тонн / рік. При цьому в країнах ЄС утилізації піддається не більше 10% композиційних матеріалів, інша частина розміщується в навколишньому середовищі або направляється на спалювання. У Росії 100% відходів композиційних матеріалів направляється на поховання. З урахуванням значного терміну розкладання в навколишньому середовищі (близько 200 років), проблема пошуку технологій утилізації відходів композиційних матеріалів є актуальним завданням.

    Abstract. Nowadays, we could see the worldwide sharp increase in the composite materials consumption, this leads to the significant accumulation of composite materials in the technosphere. The stock of composite materials annually increasing by 4 million tons. At the same time in the EU

    countries, no more than 10% of composite materials are recycled and the rest is placed in the environment or sent for burning. In Russia, 100% of composite materials waste is sent to a disposal site. Taking into account significant period of destruction in the environment (about 2,000 years), the problem of finding technologies for composite materials waste utilization is an urgent task.

    Ключові слова: полімерні композиційні матеріали, вуглепластики, вуглецеве волокно, утилізація.

    Keywords: polymer composite materials, carbon fiber polymer s, carbon fiber, recycling.

    На сьогоднішній день ми спостерігаємо різке зростання рівня споживання композиційних матеріалів - очікується, що світовий ринок композитів до 2020 року досягне 95 млрд доларів, збільшившись на 40% з 2014 року (https://goo.gl/rXn1J4).

    Такі переваги композитів, як легка вага, міцність, довговічність, можливість створення матеріалів із заданими властивостями і заданою формою, корозійна стійкість ін., Стають все більш затребувані у виробників. Причому зростання споживання спостерігається не тільки в ключових для композитів секторах економіки, а й в нових галузях промисловості.

    До композиційних матеріалів прийнято відносити об'ємне монолітне штучне поєднання різнорідних за формою і властивостями двох і більше матеріалів (компонентів), з чіткою межею поділу, що використовує переваги кожного з компонентів і проявляє нові властивості, обумовлені граничними процесами.

    Властивості композиційних матеріалів визначаються матеріалами матриці та армуючих елементів, а також схемою армування (формою, геометрією, розміром, кількістю і характером розподілу наповнювача в матриці). Таким чином, шляхом підбору зазначених вище характеристик композиційних матеріалів можна забезпечити отримання практично будь-яких виробів з наперед заданим поєднанням експлуатаційних і технологічних властивостей.

    На рисунку 1 представлені найбільш поширені види композиційних матеріалів, згруповані за матеріалом матриці і типу зміцнюючих елементів.

    Ринок композиційних матеріалів

    У 2014 році в світі вироблено 8,8 млн.тонн композиційних матеріалів (за даними JEC Composites). З точки зору обсягів споживання в 2013 році першим за величиною ринком композитів був Китай, другим - США (https://goo.gl/rXn1J4).

    Згідно з літературними даними серед лідируючих галузей у використанні композитів в 2014 році в світовому масштабі були автомобілебудування, авіабудування, будівництво, виробництво труб і резервуарів. До 2020 року очікується значне зростання споживання композитів в автомобілебудуванні, авіабудуванні і космічній промисловості, будівельної галузі, а також вітрової енергетики [1-2].

    Оборонна і аерокосмічна промисловість вперше застосувала композиційні матеріали: сьогодні більшість літаків оборони мають вагу понад 50% від композитів. Нещодавно композити стали основним матеріалом для нового покоління комерційних літаків, таких як Boeing 787 «Dreamliner» (50%) і Airbus A380 (25%) і майбутнього A350 (53%). Для підвищення паливної ефективності важливо зниження ваги автомобіля. Як найбільший прикладної сектор, використання композиційних матеріалів в

    №11 2017 р.

    автомобільної промисловості дуже швидко зростає (будівництво корпусу, інтер'єрів, шасі, витяжок і електричних компонентів). Крім того, композиційні матеріали також використовуються в спортивних і рекреаційних об'єктах, суднобудуванні і суднобудуванні, у виробництві вітряної енергії для лопаток вітрових турбін, а також в розвідці нафти і газу на шельфі. У країнах ЄС лідером з виробництва композиційних матеріалів є Німеччина, за якою слідують Італія і Франція. Ці 3 країни складають більше 60% від загального обсягу вироблених в Європі композиційних матеріалів [3].

    Малюнок 1. Найбільш поширені види композиційних матеріалів

    споживчі

    Електротехніка та

    електроніка 10%

    товари 6%

    Інші

    I 2%

    Будівництво 17%

    Автотранспорт 25%

    Морський транспорт 4%

    Вітрова енергетика 6%

    Труби та резервуари 11%

    Авіабудування 19%

    Малюнок 2. Споживання композитів різними галузями промисловості на прикладі США [4]

    З точки зору споживання композитів на душу населення в 2013 році перше місце було у США (з споживанням 73 кг / чол * год), друге місце у Німеччині (з споживанням 3,6 кг / чол * год). При цьому споживання композитів на душу населення в Китаї становило 1,8 кг / чол * год (найвище серед країн БРІК - Бразилія, Росія, Індія і Китай) [2].

    З усіх типів композиційних матеріалів найбільшого поширення набули композити на полімерній матриці, армовані волокнами (близько 90%). При цьому, 90% з них - це полімерні композиційні матеріали, армовані скловолокном (склопластики). Решта 10% - в основному полімерні композиційні матеріали, армовані углеволокном (вуглепластики). Частка інших армуючих елементів досить невелика (https://goo.gl/ rXn1J4).

    Проблема утилізації відходів композиційних матеріалів

    Зростаюче виробництво і споживання композиційних матеріалів призводять до збільшення кількості відходів, до яких відносяться продукти з вичерпаним терміном служби (end of life - EOL) і відходи виробництва композиційних матеріалів.

    Оскільки продукція на основі склопластиків і вуглепластиків, як зазначалося раніше, займає домінуюче становище на ринку, відходи цих матеріалів і викликають в даний час найбільшу стурбованість. Ще кілька років тому проблема утилізації цих відходів не стояла так гостро, оскільки обсяги їх утворення були не значні зважаючи на тривалий термін експлуатації виробів з композиційних матеріалів (20-25 років), більш низьких обсягів виробництва композитів пару десятиліть назад, менш суворих законодавчих вимог у сфері поводження з відходами.

    В останнє десятиліття, кількість відходів, що утворюються виробництва і споживання скло і углепластиков значно зросла. У відходи почали надходити вийшли з експлуатації виробу авіабудування, автомобілебудування, вітроенергетики, суднобудування і т.д. Також збільшилася кількість відходів виробництва композиційних виробів, яке пов'язане із значним зростанням обсягів виробництва.

    За оцінками, загальний сукупний обсяг відходів виробництва і споживання склопластиків в ЄС в 2015 році досяг 304 тис.тонн, при обсягах виробництва 1069 тис.тонн. З урахуванням того, що частка ЄС в світовому виробництві склопластиків становить 31%, то світові обсяги утворення відходів склопластику можна оцінити на рівні 980 тис.тонн. В цілому обсяги накопичення композиційних матеріалів становлять близько 4 млн.тонн / рік [2, 4-5].

    Раніше поховання і спалювання були найбільш поширеними методами знешкодження відходів скло і вуглепластиків. Однак, з огляду на фактичне і насувається рамкову законодавство ЄС щодо поводження з відходами, а також зростання цін на податки на звалища, ці методи будуть в найближчому майбутньому недоступні.

    Пакет законів Європейської Комісії, що стосується економіки замкнутого циклу (European Commission's Circular Economy Package), передбачає збільшення обсягів рециклінгу і зниження кількості муніципальних відходів, які направляються на полігони, до 10% до 2030 року. В даний час поки не ясно, як це законодавство вплине на промислові та будівельні відходи (крім відходів пластика, для яких цільовий обсяг рециклінгу встановлений на рівні 75% до 2030 року).

    Рамкова Директива ЄС про відходи (European Waste Framework Directive, 2008/98 / EC) встановлює основні концепції та визначення в галузі управління відходами та розвиває принцип «платить забруднює», який відомий як принцип розширеної

    відповідальності виробника. Дана директива вимагає, щоб країни-члени ЄС при управлінні відходами керувалися такою ієрархією:

    - запобігання утворенню відходів;

    - повторне використання відходів;

    - переробка відходів в якості вторинних матеріальних ресурсів;

    - спалювання відходів з отриманням енергії;

    - розміщення небезпечних відходів на полігонах.

    Європейська асоціація індустрії композиційних матеріалів (EuCIA) вважає можливою утилізацію (рециклінг) композиційних матеріалів відповідно до Європейської рамкової Директиви про відходи шляхом їх використання при виробництві цементу, однак наявні в Європі виробничі потужності можуть лише частково задовольнити попит на утилізацію композиційних матеріалів.

    Директива про транспортні засоби з виробленим терміном експлуатації (End-Of-Life Vehicle Directive) наказує, що 85% транспортних засобів по вазі повинні використовуватися повторно або піддаватися рециклінгу і 95% транспортних засобів повинні використовуватися повторно, піддаватися рециклінгу або спалюватися для отримання енергії. Вуглепластики мають найвищий потенціал зниження ваги транспортних засобів, проте їх поточна вартість і відсутність життєздатної технології рециклінгу створюють бар'єри на шляху більш широкого їх використання композитів.

    Аналогічно Директива про відходи електричного та електронного устаткування (Waste Electrical and Electronic Equipment Directive, 2012/19 / EU) встановлює цілі зі збору та рециклінгу електричних товарів, а також по їх спалюванню для отримання енергії.

    Звернення з будівельними відходами регулюються статтею 11.2 Рамкової Директиви про відходи, яка наказує, що до 2020 року мінімум 70% (по вазі) безпечних будівельних відходів та будівельного брухту повинні готуватися для вторинного використання, рециклінгу або піддаватися іншим способам відновлення (в тому числі використання відходів замість інших матеріалів для відсипання).

    На підставі вищесказаного, враховуючи потенційні обмеження в похованні відходів на полігонах з боку природоохоронного законодавства, проблема рециклінгу композиційних матеріалів в країнах ЄС стає вельми актуальною.

    Технології утилізації композиційних матеріалів не знаходять свого широкого поширення в світі, є лише окремі проекти з розробки та впровадження зазначених технологій. Проблема утилізації композитів пов'язана з цілим рядом об'єктивних причин:

    Механічна і хімічна стійкість застосовуваних матеріалів і об'єктів та їх композицій, що призводить до суттєвої енергоємності технологій утилізації;

    - технологічна складність поділу компонентів, що входять до складу композитів

    - висока диверсифікація одержуваних матеріалів і композицій

    - застосування в якості сполучного термосетов

    - низька зацікавленість стейкхолдерів у впровадженні технологій утилізації

    - відсутність вимог по утилізації композитів (в ряді країн, наприклад, Росії)

    У зв'язку з зазначеними труднощами рециклинг композитних матеріалів на сьогоднішній день обмежений витяганням енергії або палива з незначним витяганням матеріалів, таких як арматурні волокна.

    В Європейських країнах під тиском мінливого законодавства були проведені великі науково-дослідні заходи щодо пошуку різних технологій утилізації композитів, які ще належить комерціалізувати. Розробки в даних країнах ведуться в основному в трьох категоріях: механічна рециркуляція, термічна переробка і хімічна переробка.

    Механічна рециркуляція включає подрібнення і просіювання для поділу фракцій. Цей метод дуже енергоємний, одержувані продукти мають відносно низьку якість. Термічна обробка припускає використання газифікації, піролізу або спалювання з (температури від 300 до 1000 ° C), з отриманням вторинних армуючих волокон, палива або теплової енергії. Однак якість витягнутих волокон істотно погіршується під час термічної обробки. Хімічна утилізація спрямована на хімічну деполимеризацию або видалення матриці і вивільнення волокон з для подальших рециклингом органічного або неорганічного розчинника.

    Відсутність ринків, висока вартість переробки і нижча якість отримуваних вторинних матеріалів у порівнянні з оригінальними є основними бар'єрами для комерціалізації і будуть перешкоджати подальшому використанню перероблених композиційних матеріалів в автомобільній, аерокосмічній та іншої техніки і споживчих товарах. Але з огляду на довгостроковість процесів деструкції композиційних матеріалів (за різними дані до 200 років) [6] і постійне посилення екологічного законодавства, в довгостроковій перспективі розробка технологій утилізації є актуальною [3].

    При цьому, розробка інноваційних технології в галузі забезпечення завершення життєвого циклу виробів з композиційних матеріалів за трьома основними напрямками:

    -розробка складу композиційних матеріалів, що забезпечує простоту і економічність процесів переробки (наприклад заміна термосетов на термопласти);

    -розробка ефективних технологій переробки раніше вироблених матеріалів

    -розробка технологій використання вторинних армуючих волокон.

    Результати, представлені в статті, були отримані в ході виконання державного завдання Міністерства освіти і науки РФ в рамках заходу «Ініціативні наукові проекти», код заявки 5.9729.2017 / 8.9.

    Список літератури:

    1. Каблов Е. Композити сьогодні і завтра // Метали Євразії. М .: Наука і технології, 2015. С. 36-39.

    2. Management, Recycling and Reuse of Waste Composites / ed. V. Goodship. Woodhead publishing, 2010. 612 p.

    3. Yang Y. et al. Recycling of composite materials // Chemical Engineering and Processing. 2012. V. 51. P. 53-68.

    4. Mazumdar S., Karthikeyan D., Pichler D., Benevento M., Frassine R. State of the Composites Industry Report for 2017. 2017. Режим доступу: https://goo.gl/LT2PUA.

    5. Witten E., Kraus Th., Kuhnel M. Composites Market Report. 2016. Market developments, trends, outlook and challenges. 2016. 44 p.

    6. Iwanczuk A. et al. Anaerobic Biodegradation of Polymer Composites Filled with Natural Fibers // Journal of Polymers and the Environment. 2015. V. 23. №2. P. 277-282.

    №11 2017 р.

    References:

    1. Kablov, E. (2015). Composites today and tomorrow. Metally Evrazii. Moscow, Nauka i Tekhnologii, 36-39. (In Russian)

    2. Goodship, V. (ed.). (2010). Management, Recycling and Reuse of Waste Composites. Woodhead publishing, 612

    3. Yang, Y., & al. (2012). Recycling of composite materials. Chemical Engineering and Processing, 51, 53-68

    4. Mazumdar, S., Karthikeyan, D., Pichler, D., Benevento, M., & Frassine, R. (2017). State of the Composites Industry Report for 2017. Available at: https://goo.gl/LT2PUA

    5. Witten, E., Kraus, Th., & Kuhnel, M. (2016). Composites Market Report. 2016. Market developments, trends, outlook and challenges. 44

    6. Iwanczuk, A., & al. (June 2015). Anaerobic Biodegradation of Polymer Composites Filled with Natural Fibers. Journal of Polymers and the Environment, 23, (2), 277-282

    Робота надійшла Прийнята до публікації

    до редакції 24.10.2017 р 29.10.2017 р.

    Посилання для цитування:

    Куликова Ю. В., Слюсар Н. Н., Шайдурова Г. І. Аналіз проблеми утилізації відходів композиційних матеріалів // Бюлетень науки і практики. Електрон. журн. 2017. №11 (24). С. 255-261. Режим доступу: http://www.bulletennauki.com/kulikova (дата звернення 15.11.2017).

    Cite as (APA):

    Kulikova, Yu., Slyusar, N., & Shaidurova, G. (2017). Analysis of waste composite materials utilization problems. Bulletin of Science and Practice, (11), 255-261


    Ключові слова: ПОЛІМЕРНІ КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ /POLYMER COMPOSITE MATERIALS /вуглепластика /вуглецевого волокна /CARBON FIBER /УТИЛІЗАЦІЯ /RECYCLING /CARBON FIBER POLYMER S

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити