Учёные «Сколтеха» разработали технологию вторичной переработки стеклопластика

Исследователи из «Сколтеха» показали, как стеклопластик можно перерабатывать без значительного ухудшения механических свойств, а в отдельных случаях даже с их улучшением. По словам учёных, новые исследования могут сделать производство строительных материалов, деталей автомобилей, самолётов и морских судов, профессионального спортивного оборудования и других изделий, заканчивающих жизнь на свалке, экологичнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Composites Communications.

Стеклопластик, углепластик и другие армированные полимерные композитные материалы представляют собой укреплённый волокном пластик разных видов. Например, различают термореактивные и термопластичные композиты. Эти композиты производятся при высокой температуре, но в первых при застывании происходит необратимая химическая реакция, а вторым можно придать новую форму путём повторного нагрева.

«Принципиально важно сохранять при вторичной переработке длину армирующего волокна. Мы резали плиты на полоски параллельно направлению волокон и за счет этого не теряли длину волокна. А если плиты резать или дробить произвольным образом, как это обычно происходит, каждый цикл переработки будет сопряжен с заметным снижением средней длины волокна и, как следствие, ухудшением механических характеристик», — пояснил руководитель исследования Александр Сафонов, доцент Центра технологий материалов Сколтеха.

Учёные из Сколтеха проверили, как многократная переработка детали из термопластичного композита влияет на её механические свойства. Для этого исследователи использовали полипропиленовые стержни, армированные стекловолокном, изготовленные в рамках другого исследования. Стержни нагрели и спрессовали в плоские плиты, затем четырежды нарезали на полоски, потом нагревали и снова прессовали в плиты. Прочность и эластичность изделий каждого из пяти «поколений» замерили в ходе механических испытаний.

Валентина Кравцовапервый, автор исследования, выпускница магистратуры «Передовые производственные технологии» «Сколтеха»:

«Мало того, что механические характеристики в конечном итоге ухудшались не столь заметно, как мы ожидали; оказалось, что иногда переработка даже их улучшала. Улучшение свойств отмечалось на первом цикле переработки, когда форма изделия менялась со стержня на плиту, а дальше характеристики незначительно портились при дальнейшей переработке плит в плиты».

Учёные объясняют полученные результаты исследования выбором оптимальной технологии переработки. Как пояснил руководитель исследования Александр Сафонов, доцент Центра технологий материалов «Сколтеха», принципиально сохранять при переработке длину армирующего волокна. Исследователи резали плиты на полоски параллельно направлению волокон и за счёт этого не теряли длину волокна. Однако, если резать или дробить произвольным образом плиты (как это обычно происходит) каждый цикл переработки будет сопряжён с заметным снижением средней длины волокна и, как следствие, ухудшением механических характеристик.

Что касается химического состава материала и его термических свойств, например, температуры плавления, их тоже контролировали на разных стадиях эксперимента и переработка не отразится на этих характеристиках.

Результаты исследования дают основания рассчитывать, что при наличии соответствующего регулирования плохо поддающиеся утилизации термореактивные композиты могут постепенно вытесняться термопластичными аналогами. И эти аналоги смогут получить вторую жизнь без заметной потери качества. Однако степень влияния горячей формовки на механические характеристики переработанных изделий будет зависеть от соблюдения технологии и качества исходного сырья.

Кирилл Минченков, соавтор научной статьи, аспирант программы «Математика и механика» «Сколтеха»:

«Вероятно, сравнительно простым первым шагом могло бы стать применение горячей формовки прямо на производстве к только что изготовленным изделиям с браком: из них можно тут же получить детали другой формы с надлежащими характеристиками. Аналогичная стадия в нашем эксперименте — прессование стержней в плиты. Следующий шаг — переработка товаров, отработавших свой срок службы, вместо их захоронения на свалке, куда сейчас попадают термореактивные полимерные композиты».