廢棄FRP的高效破碎及在瀝青中應用

暢瑩，馮立超,，劉衛(wèi)生，朱曉華，陳林洋，江海港，王晨

（1.淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港 222005；2.連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇 連云港 222006）

廢棄FRP的高效破碎及在瀝青中應用

暢瑩1，馮立超1,2，劉衛(wèi)生2，朱曉華1，陳林洋1，江海港1，王晨1

（1.淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港 222005；2.連云港中復連眾復合材料集團有限公司，江蘇 連云港 222006）

針對風電葉片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的FRP邊角廢料難以處理、污染環(huán)境的關(guān)鍵問題，研究了FRP邊角廢料的循環(huán)再利用技術(shù)。研究表明，F(xiàn)RP材料的抗剪強度遠低于其抗拉強度與抗壓強度，據(jù)此設(shè)計、制造了剪切式破碎機和二級粉碎設(shè)備，經(jīng)破碎、二級粉碎后可獲得細的FRP粉碎料，將FRP粉碎料引入瀝青后，可明顯改善瀝青的針入度、軟化點等性能。

風電葉片；FRP廢料；破碎；瀝青

以熱固性樹脂為基體的纖維增強復合材料（FRP）由于具有比強度、比剛度高等諸多優(yōu)點而被廣泛應用于制造風電葉片。在風電葉片制造過程中通常每片平均約產(chǎn)生700kg的邊角廢料，據(jù)統(tǒng)計全國年產(chǎn)風電葉片約5萬片，產(chǎn)生FRP邊角廢料約3.5萬噸。由于FRP材料不易降解與回收，傳統(tǒng)的掩埋、焚燒方法對環(huán)境污染大，嚴重影響風電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

目前，熱固性樹脂F(xiàn)RP處理及回收大致可以分為以下三種工藝：化學回收法、能量回收法、物理回收法。其中，物理回收法是利用物理方法將廢棄FRP粉碎處理后將粉碎料作為其它材料的填料實現(xiàn)回收利用，該方法工藝簡單，生產(chǎn)成本低，不會造成二次污染，是最容易實現(xiàn)工業(yè)化的處理方法。該方法實現(xiàn)工業(yè)化的關(guān)鍵是大量高效破碎設(shè)備和破碎料的大規(guī)模應用。由于FRP材料具有優(yōu)異的強韌性能，常規(guī)的破碎設(shè)備難以滿足使用要求，而破碎料作為填料的用量也相對較少。因此本文提出研發(fā)廢棄FRP工業(yè)化破碎、粉碎設(shè)備，并探討了粉碎料在瀝青中的應用。

1 破碎設(shè)備與二級粉碎設(shè)備研發(fā)

本研究通過力學性能實驗得出，F(xiàn)RP材料的抗拉強度達到600MPa，而其抗剪強度約為125MPa，僅為其抗拉強度20%，其抗壓強度約為500MPa。由此可知，F(xiàn)RP材料在剪應力的作用下最容易發(fā)生破壞。因此，本研究設(shè)計、制造了雙軸剪切式破碎設(shè)備（見圖1a、1b），主要由動力部分、破碎刀棍、破碎室及料斗、皮帶輸送裝置與控制系統(tǒng)組成。其工作原理為：電動機經(jīng)減速器帶動一對呈剪切作用方式的刀棍同步低速旋轉(zhuǎn)（5～15r/min），廢棄FRP邊角料通過輸送裝置加入料斗并進入破碎室，受到刀具的剪斷、撕裂、劈砍作用而破碎，破碎后的物料自下部出料口排出，獲得30～50mm的塊狀和片狀物料（見圖1c）。

圖1 破碎設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖與破碎料

由圖1可見，破碎料尺寸較大，為此研發(fā)了二級粉碎設(shè)備（見圖2a、2b），主要由動力部分、定刀架、動刀棍、料斗、粉碎室、輸料管道、分離裝置和控制系統(tǒng)組成。其工作原理為：電動機帶動動刀棍高速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)破碎處理后的FRP物料加入料斗并進入粉碎室，通過動刀與定刀之間的剪切、撕裂作用，以及動刀的沖擊、劈砍作用實現(xiàn)物料的高效粉碎，粉碎后符合粒度要求的物料顆粒在氣流作用下通過篩板，經(jīng)輸料管道進入分離裝置，物料由出料口排出，粉塵由出塵口排入除塵系統(tǒng)。未通過篩板的粗粒級物料在風機工作形成的環(huán)型氣流作用下重新被帶入粉碎工作區(qū)域進一步粉碎，可獲得直徑不大于2mm的環(huán)氧樹脂顆粒和長度不大于8mm的玻璃纖維（見圖2c）。

為了提高破碎設(shè)備與二級粉碎設(shè)備的工作效率與使用壽命，本研究采用了表層鍍金剛砂的合金鋼刀具。設(shè)備處理量可達到5噸/小時，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

2 FRP邊角廢料粉碎料在瀝青中的應用

本研究選擇中海36-190#基質(zhì)瀝青，其25℃針入度為99.5（0.1mm）、軟化點為36.8℃，采用FRP邊角廢料粉碎料作為添加相，添加量分別為0%、5%、10%、15%、20%。首先，將基質(zhì)瀝青加熱至融化并保溫，加入FRP粉碎料，在剪切機上攪拌30～50min，降溫至100～120℃，靜置30～50min使其充分溶脹，然后再次剪切攪拌60～80min，制備FRP粉碎料改性瀝青試樣。分別利用瀝青針入度測定儀和瀝青軟化點測試儀，按GB/ T0604-2000測試試樣的針入度，按GB/T0606-2000測試試樣的軟化點。

圖2 二級粉碎設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖與粉碎料

圖3a給出了FRP粉碎料改性瀝青的針入度隨粉碎料添加量的變化趨勢，由圖可以看出，F(xiàn)RP粉碎料改性瀝青試樣的針入度與單一基質(zhì)瀝青相比明顯降低，尤其是當FRP粉碎料的添加量為20wt.%時，試樣的針入度值為58.5（0.1mm），僅為單一基質(zhì)瀝青試樣的58.8%。由此可知，F(xiàn)RP粉碎料的引入有效提升了基質(zhì)瀝青的抗變形能力。圖3b給出了FRP粉碎料改性瀝青的軟化點隨粉碎料添加量的變化趨勢.結(jié)果表明，F(xiàn)RP粉碎料改性瀝青試樣的軟化點與單一基質(zhì)瀝青相比明顯提高，尤其是當FRP粉碎料的添加量為20wt.%時，試樣的軟化點達到79℃，遠高于基質(zhì)瀝青的36.8℃。由此可知，F(xiàn)RP粉碎料的引入大大改善了瀝青的抗高溫性能，有利于提高夏季高溫地區(qū)瀝青的使用穩(wěn)定性。

圖3 FRP粉碎料/瀝青材料的(a)針入度與(b)軟化點變化

3 結(jié)論

（1）研發(fā)、制造了風電生產(chǎn)FRP邊角廢料高效破碎與二級粉碎設(shè)備，可獲得樹脂顆粒（直徑約2mm）和短玻璃纖維（長度不大于8mm）的混合物，處理量可達到5噸/小時，滿足工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

（2）FRP粉碎料的引入能夠有效提升基質(zhì)瀝青的抗變形能力和抗高溫性能，對下一步粉碎料在瀝青材料中的推廣應用具有一定的指導意義。

[1]常燕，王兆增，崔元勝，等. 風電葉片復合材料的研究進展及其應用[J]. 工程塑料應用，2014,42(4)：135-139.

[2]徐佳，孫超明. 樹脂基復合材料廢棄物的回收利用技術(shù)[J]. 玻璃鋼/復合材料，2009,(4):100～103.

X705

A

1671-0711（2017）01（下）-0171-02

江蘇省博士后基金資助項目（1402129C）；連云港市產(chǎn)學研聯(lián)合研究項目（CXY1405）；江蘇省高校自然科學研究面上項目（16KJB430003）；江蘇省研究生教育教學改革研究與實踐課題（JGLX15_179）。