De uitdaging om testprocedures voor gerecyclede koolstofvezelcomposieten te identificeren

Afb. 1 Recyclingproces van koolstofvezel. Bron | ELG Koolstofvezel

De exponentiële toename van de wereldwijde vraag naar koolstofvezelproducten - en het afval dat gepaard gaat met hun consumptie - roept veel duurzaamheidsproblemen op. Koolstofvezel heeft een ingebouwde energie die even hoog is als die van aluminium, dat op grote schaal wordt gerecycled, en de verwijdering van koolstofvezelafval heeft een ernstige impact op de circulaire economie. Als gevolg hiervan hebben recyclingtechnieken zoals hydrolyse, solvolyse en pyrolyse de afgelopen decennia aan kracht gewonnen ¹ . De pyrolysetechniek met kettingbed, die wordt toegepast door ELG Carbon Fiber Ltd. (Coseley, VK), is bijvoorbeeld op industriële schaal opgezet en heeft sinds 2017 meer dan 1.300 ton CF per jaar teruggewonnen ^{2 ,3} .

De grootste technologische uitdaging bij pyrolyse is echter het onvermogen om koolstofvezel terug te winnen in dezelfde vorm als de bron. Het eindproduct van pyrolyse-recycling is een pluizige, verstrengelde massa van discontinue vezels (zie figuur 1). Een efficiënte, kosteneffectieve methode voor het verwerken van gerecyclede koolstofvezels (rCF) is het omzetten van vezels in een textielweefsel, net zoals het omzetten van wolvlies in weefsels. Met behulp van deze methode zet ELG rCF om in willekeurig verdeelde, drooggelegde, naaldgeperforeerde, niet-geweven stoffen die onder druk zijn gegoten in epoxyhars. Vanwege de poreuze aard van deze stoffen bereiken de resulterende laminaten echter meestal slechts ongeveer 30% vezelvolumefractie.

Vanwege deze materiaalgedragseigenschappen zijn rCF-composieten anders dan conventionele, lange en continue vezelversterkte virgin CF (vCF)-composieten en vertonen ze ook andere eigenschappen. Om de mogelijkheden, het mechanisch gedrag en de ontwerplimieten van rCF-composieten te begrijpen, is het essentieel om een ​​betrouwbare dataset te ontwikkelen en deze te karakteriseren met geschikte testmethoden. Helaas zijn de codes en normen voor testen op macroschaal ontwikkeld voor continu vezelversterkte composieten. Bovendien bestaan ​​er een aantal discrepanties bij het testen op couponniveau in de literatuur en de industrie, zelfs voor conventionele composieten ⁴ . Om nog meer complicaties toe te voegen, gebruiken sommige OEM's, zoals Airbus, hun eigen interne testpraktijken om vCF-composieten te karakteriseren ⁵ . De introductie van rCF-composieten met hun unieke versterkingsarchitectuur in discontinue, niet-geweven composieten verhoogt deze dubbelzinnigheid in testprotocollen voor composieten. Daarnaast is er een ruime keuze aan testmethoden voor het meten van een enkele eigenschap. Hoewel het identificeren van de meest geschikte test tijdrovend is, is het van fundamenteel belang om het mechanische gedrag van het materiaal te begrijpen. Het primaire doel van het onderzoek van de auteurs was om te bepalen of niet-geweven rCF-composieten de ontwikkeling van een specifieke set standaardtestprotocollen vereisen, om het gebruik ervan in bestaande en potentiële nieuwe toepassingen te evalueren en analyseren.

De leidraad voor een testmethode die ogenschijnlijk net zo eenvoudig is als een statische trekproef, wordt onduidelijk in het geval van discontinue, niet-geweven rCF-composieten. De gebruikelijke praktijk is om rechthoekige coupons met rechte zijden te gebruiken vanwege de eenvoud van de monstervoorbereiding. Voor rCF-composieten heeft het gebruik van rechthoekige coupons zoals beschreven door ASTM D3039 of ISO 527-4 type 2 of 3, met of zonder eindlippen, echter geleid tot storingen bij of nabij de tabs als gevolg van een slechte spanningsoverdracht naar de meter lengte van het exemplaar. Van een steekproefomvang van 150 rechthoekige exemplaren produceerde minder dan 12,5% een acceptabel defect van de meter.

Hier zijn een aantal mogelijke oorzaken voor, waaronder slechte voorbereiding van het monster, methode voor het invoeren van de belasting, grepen, testsnelheid, monstergeometrie, enz. Een vlinderdasmonster, zoals getest door het US Army Materials and Mechanics Research Center voor willekeurige glasvezel composieten, leverde ook geen betere resultaten op voor rCF-composieten ⁶ . In deze proef resulteerde het gebruik van dogbone-geometrie, zoals beschreven door ASTM D638, in sterk verbeterde prestaties waarbij meer dan 80% van de exemplaren faalde binnen het centrale meetgebied, zoals weergegeven in figuur 2. Dit exemplaarontwerp heeft een aanzienlijke impact op trekeigenschappen, aangezien de rechthoekige geometriespecimens de neiging hebben voortijdig te falen.

Onze studie, waarbij gebruik werd gemaakt van identieke rCF composiet rechthoekige en dogbone-monsters, resulteerde in een afname van respectievelijk 10% en 20% in treksterkte en stijfheid voor de rechthoekige monsters in vergelijking met de dogbone-monsters. Verbeterd geometrieontwerp bij trekbelasting was ook duidelijk bij cyclische vermoeidheid. Bij een bepaald spanningsniveau in een spanning-spanningsmoeheidsbelasting kan een rechthoekige coupon ergens tussen een paar honderd cycli tot meer dan 3 miljoen vermoeidheidscycli bezwijken, terwijl de variabiliteit in cycli tot falen voor dogbone-coupons veel lager was.

Afb. 2. Verbetering van de spanningsoverdracht naar de lengte van het monstermaat in dogbone-specimens. Bron | Karthik Krishna Kumar