Nhà nghiên cứu Đức phát triển dây đai làm từ sợi carbon tái chế, có thể sử dụng cho các thành phần cấu trúc ô tô.

Nhựa polyme gia cố bằng sợi carbon (CFRP) được sử dụng rộng rãi, tạo ra một lượng lớn chất thải sợi carbon. Hiện tại, các chiến lược tái chế được áp dụng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất của CFRP, do đó lĩnh vực ứng dụng bị hạn chế. Theo thông tin từ truyền thông nước ngoài, Viện Nghiên cứu Sợi và Vải Đức (DITF) đã phát triển một loại băng có độ định hướng cao được làm từ sợi carbon tái chế (rCF), có thể được tái sử dụng cho các thành phần cấu trúc trong ô tô và các ứng dụng hiệu suất cao khác.

Các nhà nghiên cứu Đức phát triển băng làm từ sợi carbon tái chế có thể sử dụng cho các thành phần cấu trúc ô tô

Biến thể băng “Infinity” rCF đã cắt gọn (Nguồn ảnh: DITF)

Hiện tại, chỉ có 15% chất thải CFRP được tái sử dụng, trong khi 85% còn lại bị đưa đến lò đốt rác hoặc bãi chôn lấp khi hết vòng đời sử dụng. Đốt rác có thể tạo ra năng lượng nhiệt hoặc điện, nhưng việc tái chế sợi carbon có lợi cho việc bảo vệ khí hậu và tài nguyên. Trong những năm gần đây, để thu hồi sợi carbon chất lượng cao, người ta đã phát triển nhiều quy trình tái chế CFRP khác nhau, như nhiệt phân hoặc phân giải 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 kéo dài không bị giới hạn về chiều dài và có hướng theo phương chịu tải. Do đó, sợi carbon có thể phát huy tối đa tiềm năng của mình vì nó có độ bền tối đa theo chiều sợi. Trong quá trình tái chế, chiều dài sợi carbon bị rút ngắn từ micron đến centimet. Ngoài ra, sợi carbon sẽ mất định hướng và các sợi ban đầu 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 cho vật liệu sợi mới rCF. Mục tiêu của họ là phát triển một loại bán thành phẩm rCF mới và cải thiện các đặc tính cơ học của nó để thực sự thay thế vật liệu sợi nguyên sinh trong ứng dụng cấu trúc. Qua đó, vật liệu composite dựa trên sợi carbon mới có thể được tái sử dụng.

Các nhà nghiên cứu Đức phát triển băng làm từ sợi carbon tái chế có thể sử dụng cho các thành phần cấu trúc ô tô

Biến thể băng “Infinity” rCF chưa cắt gọn (Nguồn ảnh: DITF)

Để sản xuất các bán thành phẩm có định hướng giống như sản phẩm sợi carbon nguyên sinh, việc loại bỏ các vị trí rối trong rCF và làm cho các sợi song song với nhau là rất quan trọng. Để đạt được điều này, một phương pháp đầy triển vọng là sản xuất băng có độ định hướng cao.

Trong bước đầu tiên, sợi carbon được mở ra và trộn với sợi cơ sở nhiệt dẻo (PA6). Sau đó, trong quy trình chải (được điều chỉnh để xử lý sợi carbon), hỗn hợp sợi được phân tách và định hướng thêm. Tại đầu ra của máy chải, lưới sợi chải được kết hợp lại thành các dải sợi và được lắng đọng vào trong bình. Dải sợi rCF/PA6 này là nguyên liệu bắt đầu cho quy trình tạo băng tiếp theo và đã có định hướng ban đầu cho sợi carbon. Trong quy trình kéo sau đó, định hướng sợi có thể tăng cường. Bằng cách kéo dải sợi, các sợi này di chuyển và định hướng theo chiều đã chọn. Bước quy trình cuối cùng là tạo hình băng, trong đó dải sợi được định hình dưới áp lực kéo và sau đó cố định thành cấu trúc băng liên tục. Trong quá trình cố định, phần sợi nhiệt dẻo sẽ chảy ra một phần hoặc toàn bộ và sau đó đông cứng lại.

Là một phần của dự án nghiên cứu “Infinity” do Bộ Kinh tế và Hành động Khí hậu Đức tài trợ (03LB3006), công nghệ do DITF phát triển có thể được sử dụng để sản xuất băng rCF có độ định hướng cao, nhằm thể hiện quy trình tái chế CFRP bền vững và thân thiện với sợi. Dựa trên các băng “Infinity” này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một loại composite với độ bền kéo và mô đun kéo đạt tới 88% so với các sản phẩm sợi nguyên sinh tương tự. Hơn nữa, phân tích vòng đời cho thấy khi sử dụng sợi nhiệt phân, tiềm năng gây ấm toàn cầu giảm khoảng 49%; trong khi sử dụng rCF từ chất thải sản xuất, tiềm năng này giảm khoảng 66%.

Những kết quả nghiên cứu này cho thấy một phương pháp thực sự để thay thế sợi CFRP nguyên sinh bằng sợi CFRP tái chế, qua đó tránh việc hạ cấp thành vật liệu có độ định hướng thấp và dẫn đến mất mát các đặc tính cơ học.