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基于“新常态”战略的汽车塑料工程绿塑创新驱动的分析研究(七)

[ ju111net九州手机版 ] 发表于 2015-07-30 00:00:00 浏览量:0

5.5 汽车复合材料结构件全套解决方案的绿塑创新驱动

复合材料结构件与传统金属件相比可以节省高达50% 的重量,但是要想达到这样的减重效果,同时还要维持成本和性能不变,需要进行大量的绿塑创新驱动优。汽车结构件复合材料化,不是简单地“以塑代刚”,而是根据结构件的功能和性能,集约复合材料结构件的设计、成型原料及成型工艺、寿命周期、后处理、回收利用等各个环节,全套方案解决,最终实现“以塑胜钢”,绿色成型驱动汽车绿色化革命。

汽车复合材料结构件取代金属材料结构件,两种材料的性能不同,所以并不是简单的替代,只由对原金属材料结构的基础上,根据复合材料及其所能达到的最优的性能,进行结构件的结构设计及成型工艺的创新,才能实现优于金属结构件的性能,显示出复合材料结构件的科学发展的优势。

复合材料结构件成型应用何种工艺,从材料成本、工装模具成本、尺寸稳定性、可回收性、加工时间以及表面光洁度等方面而定。

日产2014 Rogue 车型提升式后车门为整体式玻璃纤维复合材料注塑件,从车门设计、制造等各方面,全方位研发解决方案。玻璃纤维复合材料车门与传统冲压钢车门相比重量减轻了30%外面板的原材料成本与SMC 材料相比减少了35%

车门成型工艺设计。考虑到热塑性注塑工艺在周期时间、可回收性、表面光洁度以及成本等方面的优势,以及生态环境保护和年产量超过13万台的因数,采用免喷涂注塑工艺,生产复合材料后车门。

复合材料选用。在不牺牲强度和性能的情况下,减薄车门壁厚,提升车门的强度和硬度,提高车门的安全性能,采用材料供应商LyondellBasell 公司高流动性、高强度热塑性30%长玻璃纤维增强聚丙烯(PP-GF30)。这种材料不仅可以进一步减轻部件的重量,还可以缩短成型周期,提升了注塑成型的效率。

车门蠕变性能设计。复合材料件蠕变是不可避免的,如何使复合材料车门在寿命周期内,蠕变不影响应用,是设计中必须研究的课题。日产在车门设计中根据复合材料的蠕变动态参数,经过定量分析计算出随着时间推移整个蠕变的量在设计和制造之时就除去蠕变的量,使刚生产出来的面板比长期蠕变后的面板小随着时间的推移,面板就会蠕变成为正常的外形尺寸和造型,使车门、保险杠面板和钢制车身面板之间的间隙保持在正常的水平。考虑到全塑化车门的纵向和扭转刚度的减少,增加分型线间隙辅助导向部件,确保车门关闭时不会对车门或周围的车身结构造成损坏。

车门结构联接设计。为了满足产量方面的需求, 即创建多个点胶面板之间的连接单元,提升了产量,且不会牺牲胶粘剂固化所需的时间。

6  基于新常态战略的汽车塑料件的回收利用绿色化技术的绿塑创新驱动

   绿色汽车的生命周期是从摇篮到再现的过程,即绿色汽车的生命周期除设计、制造、使用,还包括废弃(或淘汰)产品的回收、重用及处理阶段,这种生命周期是一个闭环系统

随着汽车工业的发展,新车开发周期的缩短,进入市场的速度加快,汽车保有量急速增加,也导致汽车报废数量逐年增多:如按汽车平均使用寿命12年计算,全国每年报废的汽车140万辆,若排列起来,可长达5000km。对大量的报废车的塑料件,若不及时进行分类处置和回收再利用,在日晒和风吹雨打的自然条件下,塑料件会很快降低循环再利用的价值,不仅浪费资源,而且对环境污染严重。

发达国家汽车塑料件的回收利用技术走在国际前列,而且有一套健全的法律法规,例如欧盟规定,到2015年,汽车塑料件的回收利用必须达到85%。

报废汽车塑料零部件回收利用技术的发展,不仅可促进汽车再制造业的发展,同时是解决废旧汽车塑料带来的社会公害问题的重要途径,实现可持续的方式使用自然资源和环境成本,实现产业经济效益和生态效益的统一。“资源-产品-再生资源”的多重闭环反馈式循环过程,实现以环境友好方式开发和利用资源。

复合材料具有比强度高、比模量高、可设计性强、抗疲劳断裂性能好、耐化学腐蚀、耐候性好其他材料不可比拟,极大地推动和扩大了其在汽车领域的应用,其用量也逐年递增,用量的上升必然导致其废弃物的不断增加对环境构成了威胁,成为阻碍复合材料进一步应用和发展的瓶颈。同时,复合材料的强度高、耐腐蚀性能好等材料特性导致其废弃物的处理非常困难。因此,复合材料废弃物的节能减排与回收利用技术已成为研究热点之一。多型式、多品种汽车塑料件的迅猛发展给回收利用带来了新的课题,同时也给创新创造回收利用技术提供了机遇和良好的发展前景。

汽车塑料件的回收利用技术是汽车塑料件绿色技术的一个重要组成部分。绿色经济的发展给汽车塑料件的回收利用带来了新的含义,回收是一个方面,更重要的是利用,而利用必须有利于资源的第二次应用的绿色循环经济的发展。面对我国自然资源日益短缺和生态环境恶化的状况,回收利用应从绿色经济及可持续发展的角度出发,研究报废汽车典型塑料零部件的回收利用技术,对节约资源和保护环境,推动社会 、经济 、环境的协调发展具有重要的现实意义。发达国家汽车塑料件的回收利用技术走在国际前列,而且有一套健全的法律法规,例如欧盟规定,到2015年,汽车塑料件的回收利用必须达到58%。

处理复合材料废弃物的方法不尽相同,但总的来说,可以大致分为以下三种方法:化学回收、能量回收和物理回收。我国的塑料报废件的回收利用技术严重落后,尚未建立完善的社会回收系统,而且没有一套比较完善的法律法规。目前,我国塑料报废件的回收利用基本上仍停留在回收率低、易产生二次污染的能量回收法和热解法。实行物理法回收利用是实现绿色循环经济的可持续发展的必须研发的技术,为创新创造物理法回收利用设备提供了广泛的发展空间。

6.1热塑性工程塑料的回收利用技术的绿塑创新驱动

汽车保险杠、散热格栅、照明灯、仪表板( 含副仪表板) 座椅、车门内板、顶棚、杂物箱、燃油箱等大型塑料零部件的回收利用的技术难度较高,而且随着复合化的发展,技术难度越来越高。其回收技术的难点的是去除表面的漆膜、分选组合件中的金属及玻璃,分拣复合件中的不同成分及类型的高分子材料。

6.1.1饰件表面漆膜脱除的清洁技术的绿塑创新驱动[8]

国内对废旧汽车保险杠之类的表面漆膜脱除处理,一般采用化学溶剂浸泡脱除表面的漆膜,产生的废液对生态环境危害较大。

物理法取代化学法脱除饰件表面的漆膜,实现清洁化回收。韩国现代汽车公司采用水射流冲击的方式去除保险杆表面的漆膜。日本SINTOKOGIO公司将保险杠粉碎至0.8mm左右,然后高速喷丸,冲击塑料表面,将涂漆剥落,然清洁脱除汽车饰件表面的漆膜,然后清洗回收。Yamamoto等人采用羞速辊筒法去除漆膜。日本东京都立大学采用密度法,对水槽内塑料片施以强磁场,根据塑料带磁性能及浮沉深度不同而分离不同保险杠材料。

6.1.2 组合复合件分选的清洁技术的绿塑创新驱动

汽车零部件的高分子材料和金属的组合型、多种不同高分子材料的复合型,给资源永续回收利用带来了技术难题。国内对这些报废的零部件,回收利用主要采取能量回收和热解两种方法。能量回收法是指将废旧零部件与煤混合后在水泥窑 中焚烧生热能,利用其产生的热量。热解法是指通过预处理、热裂、高温分解、冷却回收等流程处理报废塑料,获得热解燃油及燃气。这两种方法回收利用率较低,且回收过程中易产生二次污染。  

6.1.2.1高分子材料和金属的组合型汽车零部件的分选的清洁技术的绿塑创新驱动

散热器格栅和车灯的主要材料是ABS和PMMA,其回收技术的难点的是去除格栅表面 的油漆,以及格栅和灯具中的金属、玻璃等。荷兰Foma Engineering公司开发了可用于PMMA和ABS的离心分离系统,利用该分离系统可以获得精细分离的塑料,为生产高附加值的制品创造了条件。比利时K.Smolders等通过采用流化床进行热分解的方法将PMMA分解成MMA,使其回收率达到90%~98%。韩国的GARAMTECH公司将回收的报废车灯整体粉碎后,去除金属成分同ABS 新原料混合后用于制造新的灯壳。

6.1.2.2多种不同高分子材料的复合型汽车零部件的分选的清洁技术的绿塑创新驱动

G.Ragosta等开发了一套针对具有多层结构的聚烃烯类仪表板回收再利用技术。该技术在再生过程中添加一种乙烯一丙烯共聚物和PP新料,使再生塑料的性能得到显著提高,可用于生产新的仪表板或相似的塑料部件。Botsch, M利用风选和电选分离由ABS/PC、PU、PVC构成的仪表板,先把仪表板粉碎,用风选分离出PU泡沫,然后用电选分离出ABS/PC和PVC。Sims等开发了废旧汽车座椅PU新的回收方法 ,其方法是将颗粒化的废旧PU泡沫与泡沫胶布板物混合,添加 MDf 预聚物,生产新的泡沫塑料。

比利时的菲利普公司开发成功从粉碎屑中回收有用物资的再生装置,核心技术是利用各种物质的软化粘附温度不同而在不同的温度区域分别粘附在所通过的双辊上而分离的(如PP170时粘附),可从粉碎屑中分选出有色金属、氨基甲酸乙酯和PP6种有用物质。引起了国际汽车制造商的重视,包括本田汽车在内的不少日本汽车制造商亦纷纷前往参观并表示肯定。

6.1.2.3  ABS塑料电镀件回收清洁技术的绿塑创新驱动

广州塑料再生研究中心针对ABSPC+ABS合金表面上的铜、镍、铬镀层褪除环保回收开发了塑料表面金属环保褪镀剂彩虹海离子32”。这种褪镀剂不但能快速完整剥落表面镀层,而且对基材能进行全面保护,具有脱镀后能充分保持原色,后续的造粒及注塑工艺过程不变色,不变脆,基材物化指标不变等优势。无需浓硫酸或硝酸、作业过程无黄烟、无味、无毒;褪镀速度快,也可根据生产进度而定;不改变基材技术指标,洗后应用不变色、不发脆;废液回收提炼金属或硫酸盐等制品的工艺成本较低;回收处理过程无人身安全危害,不产生有毒气体,环保。该工艺技术可适用于各种ABSABS+PC合金表面镀铜、镍、铬的褪除。南通纵横化工有限公司发明了利用混酸空气催化分离塑料镀层的方法,并申请了专利。具体分离镀层的方法为:将ABS镀层塑料浸入混酸中,并通入空气反应,然后,取出已褪镀的塑料,取出已褪底的塑料后的溶液再用氨调pH23,过滤,滤液用氨调pH4.55.5,过滤洗涤,得滤渣碱式硫酸铜,滤液中通硫化氢,再过滤除去硫化铜,滤液用氨水调整pH77.5,再加入烧碱,并加热至8090,放出氨气(严重污染空气)并调pH912,过滤得到氢氧化镍(洗水用量大),分离氢氧化镍后的母液加硫酸调pH至中性,经冷却结晶析出十水硫酸钠。该法可生产市场畅销的硫酸铜、氯化镍产品及去镀层ABS塑料,并能有效回收用于洗涤剂的十水硫酸钠,分离成本较低,但酸碱用量较大且有少许废气排放。

6.1.3 共混增容改性回收利用技术的绿塑创新驱动[9]

共混增容改性回收利用技术是把废旧塑料与其他高分子材料共混,改善/提高废旧塑料的基本力学性能,制成达到或超过原塑料制品的性能。例如,把短玻璃纤维按10%~40%的比例增加废旧PP,可以显著提高废旧PP的拉伸强度,这种改性的PP材料可广泛用于汽车配件,如散热器零件、照明设备零件等。

6.1.4 物理改性回收利用技术的绿塑创新驱动[9]

废旧塑料混有不相容的两相或多相塑料是不可避免的,如何使之共混整容是实现废旧塑料再生利用的技术关键。

相容剂的绿塑创新。相容剂起到不相容的聚合物之间的桥接作用,降低两相或多相之间的界面张力,或产生化学键,达到多元体系相容的目的。相容剂的提高了废旧塑料的附加值,可使废旧塑料成为新的塑料合金或新的改性塑料。荷兰国家矿业公司生产专用于回收废旧塑料再生的BENNET相容剂,可把多种不同品种、不同性质的废旧塑料实现共混再生。 

6.1.5  还原再生法的绿塑创新驱动

意大利的汽车生产大户菲亚特汽车亦开发成功独特的还原再生法,对废塑料的利用效果明显。针对塑料使用十年左右后易老化并引起各项性能下降的特点,为防止用废塑料制同样部件时产品性能难达到相关的质量和安全指标,该公司采取了将回收的废塑料用来制造强度和安全性能低一等的部件。如十年后报废的防冲器和仪表板类废塑料可回收还原制造风管,再过十年后再回收还原制造地板或者用到其它工业品上,最后不便还原作材料利用时再改作燃料利用。如此不仅提高了废塑料和报废汽车的再生利用率,同时亦有利于降低汽车制造成本。该公司对其它材料制部件亦实施了还原再生法,但效果以废塑料的再生利用最佳。

6.2 玻璃纤维复合材料废弃制品回收利用技术绿塑创新驱动

世界正在经历一场低碳革命,玻璃纤维复合材料在减少温室气体排放方面的潜力是显而易见的。经济地提高附加值开发玻璃纤维复合材料废弃制品回收利用技术,成为“新常态”汽车玻璃纤维复合材料绿色创新驱动的重点课题。

6.2.1 热塑性GMT废弃制品回收利用技术绿塑创新驱动

GMT作为一种汽车行业新型轻质高性能绿色材料,回收利用的研究越来越引起人们的重视。废弃GMT制品回收利用不仅可以最大限度地减少对环境的污染,而且还可以重复利用日益匮乏的资源。

物理粉碎直接回收利用。废弃的保险杠经过粉碎机粉碎后与GMT新料按25:80的比例掺混,再复合成新的片材,其性能无明显下降。

化学溶剂溶解分离回收利用。溶剂溶解聚丙烯基复合材料,制成聚丙烯溶液,其中玻璃纤维呈悬浮状态,而后对这种含有玻璃纤维悬浮物的PP溶液进行过滤以使两者分离,分别加以回收。回收的玻璃纤维与同种基体树脂再复合后材料的力学性能无明显变化。与未经回收处理的新料相 

比,经过一次回收再复合成新材料的拉伸模量和拉伸强度有明显增加,但是Izod冲击强度有所下降。

6.2.2 热固性SMC复合材料热解法回收利用技术的绿塑创新驱动[11]

    热解SMC回收利用由美国汽车协会和通用公司共同努力研发的技术。

热解法是借鉴塑料、橡胶高温分解回收法 ,将玻璃钢废弃物在无氧情况下,加热分解成为保存能量成份的热解气和热解油,以及以Ca2CO3、玻纤为主的固体副产物。热解法最大的优点在于可处理被油漆、粘接剂和其他材料污染的玻璃钢废弃物,而金属异物在热解后从固体副产物中除去。

热解产物随热解温度的不同而不同 , 400~500℃以回收热解油为主, 进一步分馏、 改性,作燃料;在 600~700℃以回收热解气为主,供热以能量,作燃料。在480~980℃所产生的热解气具有足够的能量供给热解使用,达到自给,多余部分可存储用作燃料。

热解产生的固体副产物用作SMC、BMC 热固性塑料的填料及铺路材料

6.2.3热固性GRP复合材料热解法回收利用技术的绿塑创新驱动

EuCIA(欧洲复合材料工业协会)指出,GRP可回收的,且符合欧盟法规,事实也的确如此。但目前只有德国的设备可以用于回收

EuCIA 支持且在德国得以应用的回收工艺,包括添加GRP 废弃物到水泥窑里。这就增加了复合材料所有部件的价值,并且通过采用叫作Compocycle 的路线使其得到了更好的商业化, Compocycle Zajons 操作,然后将材料填进Holcim 公司的水泥窑。但是该工艺仍然有一个显著的门槛费用。在德国,没有关于垃圾填埋的法规,因此GRP 废料的量足以证明这样的工艺是有效的。像丹麦Fiberline 公司这样的复合材料生产商已经支持这个工艺了,并且在最大限度地利用它。但是这条路线降低了材料的价值,使其相当于工业碳酸钙的价值,目前与垃圾填埋场的填埋相比还不是特别经济。

法国的Mixt 复合材料再利用公司(M-C-R),制造模塑化合物,并从其客户那里收回工艺废弃物,然后再研磨, 并重新集成到制造汽车零部件的新化合物里。

在比利时,Reprocover 公司用研磨热固性的工业废物制造井盖、阀室和其他建筑产品,包括从附近的玻璃纤维增强制造商3B 玻璃纤维公司得到的GRP 和清洁的废纤维。他们最近开发出了一种具有优良吸振特性的双块式轨枕来取代木制枕木

6.3碳纤维复合材料废弃制品回收利用技术的绿塑创新驱动

 尽管碳纤维有众多的优点,但是仍有一个不可回避的问题——碳纤维不可降解。随着其应用量的增加,随之而来的污染问题也日趋严重。碳纤维复合材料实现回收利用才能在汽车领域得到大规模的平民化应用,实现低碳经济绿色生态环境循环利用

碳纤维复合材料废弃制品回收处理得到碳纤维的成本低于碳纤维新材料的成本,具有较大的经济效益,所以碳纤维复合材料的回收利用是一个极具吸引力的市场,它不仅以经济影响为向导,同样由于其对环境的正面影响而受到关注。目前,针对碳纤维复合材料废弃物的回用问题,各工业大国都有自己的科研体系,目的是创建最高效和最经济可行的碳纤维回用体系 到目前为止,关于碳纤维回用的研究主要包括粉碎碳纤维增强塑料,高温分解碳纤维复合材料,催化分解或在真空环境下分解碳纤维复合材料,流化床处理碳纤维复合材料等。  

碳纤维复合材料废弃制品分离回收利用就是把碳纤维从碳纤维复合材料件中分离出来, 最大限度的保持纤维的原有特性以提高回收利用价值

碳纤维回收利用的成本低于使用新碳纤维的生产成本。再生碳纤维的成本低于新CF的生产成本,据日本报道生产制造再生短CF能耗仅为新CF的17%,而CO2排放量仅为新CF的14%CF本身优异的性能在回收再生后能被大部分保持,可以重新应用在汽车部件。

6.3.1碳纤维复合材料的热分解分离回收利用技术的绿塑创新驱动[10]

日本三菱、东丽、东邦公司世界三大碳纤维生产商从2006年起在日本经济产业省的资助下,共同协作进行的题为“碳纤维回收技术的研发示范”项目,在日本福冈县大牟田市投资兴建CF及CFRP连续热分解回收中试生产线,在高温常压下回收复合材料中的碳纤维,规模可达到1000/使得日本生产商加速了对碳纤维复合材料在汽车领域应用的市场布局,包括碳纤维丝束原材料、复合材料预浸料和注塑颗粒材料在内的产能投入。一个是英国ELG Carbon Fibre Ltd 连续热分解回收技术,在West Midlands建立1200吨/年的中试车间,产品为短CF及粉末CF。开发目标要使再生CF力学性能不低于90%新CF力学性能,且具有高表面活性、结合性和电气性能等。

6.3.2碳纤维复合材料的物理混合分离回收利用技术的绿塑创新驱动

英国的先进复合材料公司(Umeco复合材料结构材料公司的一部分)、英国Exel复合材料公司、NetComposites、Sigmatex、Tilsatec和利兹大学组成碳纤维复合材料的回收利用的联合体,开发将聚对苯二甲酸乙二醇酯碳纤维复合材料混合提取碳纤维的物理回收利用技术制备成不同形式的材料,回收碳纤维生产的与原始纤维制备的复合材料相比,保持至少90%拉伸模量50%拉伸强度。

6.3.3碳纤维复合材料的高温分离回收利用技术的绿塑创新驱动

热固性碳纤维复合材料中,环氧树脂的熔融温度大大低于碳纤维的耐热温度。高温分离回收利用技术就是针对热固性碳纤维复合材料中两种组合物的不同温度特性,把碳纤维从复合物中分离出来,实现碳纤维的循环利用。高温分离回收利用技术的关键是如何保持碳纤维的原有长度。

英国碳纤维回收商---Milled Carbon公司采用高温分解法,长碳纤维复合材料中的环氧树脂在低氧燃烧过程中被高温降解,将高模量长碳纤维恢复到近乎原始的状态进而可重新用于制造重要结构的材料。

6.3.4 碳纤维复合材料的流化床法(Fluidised bed method)回收利用技术的绿塑创新驱动

预分散的废料被流经它下方的约高温550℃液体或气体“流化”,随后进行热解和氧化,并最终逐步将其从复合物中分离开来。

6.3.5碳纤维复合材料的超临界水溶剂分解分离回收利用技术的绿塑创新驱动[10]

    如何去除碳纤维复合材料中的基体相,有效回收碳纤维增强体?英国诺丁汉大学和法国ICM-CB化学研究所经过大量试验,开发了超临界水溶剂分解法,由于其具有广泛的适用性和回收产品的高性能品质而为碳纤维回收领域引领了一个新的方向。该方法的有效性已经被证实目前正在为其产业化做进一步的研究。超临界水溶剂分解法的基本原理是,采用特制的高温高压反应器当复合材料和水进入该系统,其中的水将变为超临界水,在超临界水的作用,复合材料中的基体部分,主要是环氧树脂被氧化形式气态产品,如氢气、甲烷、二氧化碳等,碳纤维因而被提取出来。此过程所获得的产品有气态的能量、水和固体(碳纤维织物)。利用这项技术可以减少废物污染,保护环境,同时回收的碳纤维具有较高的强度和刚度。

6.3.6 热固性碳纤维复合材料回收利用的绿塑创新驱动

现有的热固性碳纤维复合材料回收技术普遍存在能耗大、二次污染和难以或无法得到连续而有序的碳纤维材料。  

波音公司与华东理工大学材料科学与工程学 院近 日正式签署合作协议,开启了双方从碳纤维复合材料中回收碳纤维的实质性合作关 系。本次合作 旨在探索一条利用太阳能技术进行热固性碳纤维复合材料中回收碳纤维的新路线,希望开发出一条低(无)能耗、大尺寸碳纤维复合材料的高效的回收方法。 

6.3.7 碳纤维复合材料的分离回收利用技术的绿塑创新驱动的发展方向[12]

碳纤维复合材料的分离回收利用技术的科学发展方向:第一是如何提高改进现有的回收加工方法,最大限度降低废物污染,从碳纤维复合材料废弃物件中获得最有价值的碳纤维;第二是如何使用再生的碳纤维生产出的新产品仍旧具有最佳性能。

对于回用的碳纤维,目前常用的方法是制成短切纤维再利用,但是在性能上没有竞争优势,使用的领域也有局限性 因此,后续研究工作除了要继续加强对碳纤维提取的研究外,还应该根据市场需求,考虑将回用碳纤维重新纺成连续的碳纤维纱,或者直接做成其他更有优势的碳纤维增强体结构,使其拥有更具竞争力的性能优势; 同时进一步扩大回用碳纤维的应用领域,提高回用碳纤维的使用比例。

有些回收方法虽然可以成功地将碳纤维从复合材料中分离出来,但是会导致碳纤维长度变短,纤维性能降低,而且这一过程产生的附加废料同样会造成环境污染。

目前还没有一套世界公认的完整的清洁化的碳纤维回收体系,这也是我们所面临的最大挑战。