Vật liệu nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) được sử dụng rộng rãi, kéo theo sự phát sinh của lượng lớn chất thải sợi carbon. Hiện tại, các chiến lược tái chế đang được áp dụng có thể làm giảm hiệu suất của CFRP một cách rõ rệt, do đó lĩnh vực ứng dụng bị hạn chế. Theo thông tin từ truyền thông nước ngoài, Viện Nghiên cứu Vải và Sợi Đức (DITF) đã phát triển vật liệu băng có độ hướng cao được làm từ sợi carbon tái chế (rCF), có thể được sử dụng lại trong các thành phần cấu trúc trong ngành ô tô và các ứng dụng hiệu suất cao khác.
Biến thể băng “Infinity” rCF đã được cắt gọn (Nguồn ảnh: DITF)
Hiện tại, chỉ có 15% chất thải CFRP được tái chế, trong khi 85% còn lại được gửi đến nhà máy đốt rác hoặc bãi rác khi hết vòng đời sử dụng. Đốt rác có thể sản xuất năng lượng nhiệt hoặc điện, nhưng việc tái chế sợi carbon lại có lợi hơn cho việc bảo vệ khí hậu và tài nguyên. Trong những năm gần đây, để tái chế sợi carbon chất lượng cao, đã có nhiều quy trình tái chế CFRP khác nhau được phát triển, chẳng hạn như phân hủy nhiệt hoặc phân hủy bằng dung môi.
So với sợi nguyên sinh, ứng dụng của sợi carbon tái chế rất hạn chế. Trong các sản phẩm sợi nguyên sinh, sợi carbon thường tồn tại dưới dạng bó sợi không bị giới hạn về chiều dài và được định hướng theo chiều tải trọng. Do đó, sợi carbon có thể phát huy tối đa tiềm năng của mình vì nó có độ bền tối đa theo hướng sợi. Trong quá trình tái chế, chiều dài sợi carbon sẽ bị rút ngắn xuống còn từ micro đến centimét. Hơn nữa, sợi carbon sẽ mất đi sự định hướng, ban đầu sợi sợi ở trong trạng thái rối.
Trong các công trình trước đây, DITF đã thành công trong việc áp dụng quy trình kéo sợi truyền thống vào vật liệu sợi rCF mới. Mục tiêu của họ là phát triển một loại rCF bán thành phẩm mới và cải thiện tính năng cơ học của nó để thực sự thay thế vật liệu sợi nguyên sinh trong các ứng dụng cấu trúc. Như vậy, vật liệu tổng hợp dựa trên sợi carbon mới có thể được tái sử dụng một cách thực sự.
Biến thể băng “Infinity” rCF chưa được cắt gọn (Nguồn ảnh: DITF)
Để sản xuất các bán thành phẩm định hướng giống như sản phẩm sợi nguyên sinh, việc loại bỏ các điểm rối của rCF và làm cho các sợi song song với nhau rất quan trọng. Để đạt được mục tiêu này, một phương pháp triển vọng là sản xuất băng có độ định hướng cao.
Trong bước đầu tiên, sợi carbon được mở ra và trộn với sợi polymer nhiệt dẻo (polyamide 6). Sau đó, trong quy trình chải (được cải tiến để xử lý sợi carbon), hỗn hợp sợi được tách biệt và định hướng thêm. Tại đầu ra của máy chải, mạng lưới sợi được tạo ra trong quá trình chải được kết hợp thành các dải sợi và lắng đọng trong bình. Dải sợi rCF/PA6 này là nguyên liệu ban đầu cho quy trình định hình băng tiếp theo, và đã có sự định hướng sợi carbon ban đầu. Trong quy trình kéo tiếp theo, định hướng sợi có thể được tăng cường. Bằng cách kéo dải sợi, các sợi này di chuyển và được căn chỉnh theo hướng đã chọn. Bước quy trình cuối cùng là định hình băng, trong đó các dải sợi được định hình dưới áp lực để tạo ra hình dạng mong muốn, sau đó được cố định thành cấu trúc băng liên tục. Trong quá trình cố định, phần hoặc toàn bộ sợi dẻo nhiệt sẽ nóng chảy và sau đó đông cứng lại.
Trong khuôn khổ dự án nghiên cứu “Infinity” (03LB3006) được tài trợ bởi Bộ Kinh tế và Hành động Khí hậu Đức, công nghệ do DITF phát triển có thể được sử dụng để sản xuất băng rCF có độ định hướng cao, nhằm chứng minh vòng tái chế CFRP bền vững và thân thiện với sợi. Dựa trên các loại băng “Infinity” này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một vật liệu tổng hợp có độ bền kéo và mô đun kéo đạt khoảng 88% so với các sản phẩm sợi nguyên sinh cùng loại. Hơn nữa, phân tích vòng đời cho thấy khi sử dụng sợi phân hủy nhiệt, giá trị tiềm năng nóng lên toàn cầu giảm khoảng 49%; trong khi khi sử dụng rCF từ chất thải sản xuất, giá trị tiềm năng nóng lên toàn cầu giảm khoảng 66%.
Những kết quả nghiên cứu này cho thấy một phương pháp thực sự sử dụng CFRP tái chế để thay thế cho CFRP sợi nguyên sinh, tránh việc làm giảm chất lượng thành vật liệu ít định hướng và dẫn đến giảm hiệu suất cơ học.