ES2923020T3 - Procedimiento para reciclar materiales compuestos de fibra - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para reciclar materiales compuestos reforzados con fibras, en el que los elementos que contienen el material compuesto reforzado con fibras se introducen en un reactor de impacto (1) y se trituran por esfuerzo mecánico, donde la trituración se realiza de manera que las agujas de fibra con una matriz adhesiva se producen como producto de trituración. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para reciclar materiales compuestos de fibra

La invención se refiere a un procedimiento para reciclar materiales compuestos de fibra, en el que los elementos que contienen material compuesto de fibra se trituran mediante tensión mecánica.

Los materiales compuestos de fibra contienen un material de fibra como componente esencial. A menudo se trata de laminados, por ejemplo, en forma de tejidos, mallas o esteras. El material de la fibra está incrustado en una matriz, que a menudo consiste en material polimérico, por ejemplo un material termoestable tal como resina sintética. Los materiales compuestos de fibra se procesan para obtener una gran variedad de productos y se utilizan como piezas moldeadas o componentes estructurales, por ejemplo en la construcción naval y en la tecnología aeroespacial. Además, las palas del rotor de aerogeneradores suelen incluir componentes estructurales hechos de materiales compuestos de fibra.

Los componentes estructurales hechos de materiales compuestos de fibra tienen una vida útil limitada. Por ejemplo, debido a la fatiga de los materiales, después de aproximadamente 10 años es necesario sustituir las palas del rotor de los aerogeneradores. Sin embargo, la sustitución ya se produce prematuramente cuando hay que montar palas de rotor con geometrías diferentes. Debido a las grandes cantidades de materiales compuestos de fibra, existe la necesidad de reciclar el material.

Sin embargo, en este contexto es problemático que cuando se utiliza una matriz hecha de un material termoestable, como resina sintética, no es posible la fusión reversible de la matriz.

A este respecto, hasta ahora, los elementos consistentes en material compuesto de fibra se han triturado de modo que el material compuesto de fibra queda en forma de polvo. Por ejemplo, por el documento EP 0473 990 A2 se conoce un procedimiento de este tipo. El resultado del procedimiento, un polvo, se utiliza después como aditivo para la producción de nuevas piezas moldeadas. La desventaja en este caso es que el aditivo sirve principalmente como material de relleno y no conduce a una mejora de las propiedades del material. El documento WO2018078050 (estado de la técnica con arreglo al artículo 54, apartado 3, del CPE) describe un procedimiento para triturar envases de bebidas hechos de material compuesto en un reactor de impacto, en el que el material compuesto se introduce en una cámara del reactor de impacto a través de una abertura de alimentación, se tritura en la cámara del reactor de impacto bajo la acción del rotor y se descarga de la cámara del reactor de impacto a través de una abertura de descarga.

La invención tiene por objetivo desarrollar un procedimiento para reciclar materiales compuestos de fibra, cuyo resultado sea la obtención de productos de trituración que puedan ser llevados a un uso posterior de alta calidad.

Este objetivo se resuelve con las características de la reivindicación 1. Las reivindicaciones subordinadas se refieren a configuraciones ventajosas.

En el procedimiento según la invención para reciclar materiales compuestos de fibra, los elementos que contienen material compuesto de fibra se disponen en un reactor de impacto y se trituran mediante tensión mecánica, teniendo lugar la trituración de tal manera que se producen agujas de fibra con una matriz adherida como producto de trituración.

En el estado actual de la técnica, hasta ahora se conocía el procedimiento consistente en triturar elementos, es decir, productos o componentes que contienen material compuesto de fibras, de tal manera que el producto triturado es un polvo. Alternativamente se ha intentado separar completamente la matriz de las fibras. Sin embargo, esto es problemático porque el revestimiento con el que se han tratado previamente las fibras para permitir la adhesión de la matriz se elimina en el proceso y tiene que volver a aplicarse. Además, el procedimiento es muy costoso, ya que el material de fibra y la matriz forman una unión muy fuerte. También es problemático que las fibras separadas de esta manera ya no alcanzan la resistencia original del material de fibra original.

A diferencia de los procedimientos conocidos en el estado actual de la técnica, de acuerdo con la invención se desea que la matriz se adhiera al material de fibra triturado, las agujas de fibra. Por lo tanto, el resultado del procedimiento, es decir, los productos triturados, son elementos de fibra en forma de aguja compuestos por fibras o haces de fibras que están recubiertos de matriz. En este sentido, tanto el material de fibra como la matriz del material de partida se reciclan.

El procedimiento se lleva a cabo preferentemente de manera que las agujas de fibra tengan bordes de rotura con una forma irregular, lo que mejora el depósito de nueva matriz. Por lo tanto, el compuesto de fibra se rompe durante la trituración y las partes de fibra se separan junto con la matriz.

Preferiblemente, el producto de trituración contiene agujas de fibra con una longitud de fibra de 0,1 mm a 20 mm. Una fracción también puede contener agujas de fibra con mayor o menor longitud de fibra. Preferiblemente, la longitud de fibra del 90 % en peso de una fracción de productos de trituración es de 0,1 mm a 20 mm. De manera particularmente preferible, el producto de trituración contiene agujas de fibra con una longitud de fibra de 1 mm a 10 mm. Por consiguiente, a partir de una fracción de elementos triturados en el reactor de impacto se obtienen agujas de fibra con matriz adherida en diferentes longitudes de fibra, siendo la longitud de fibra de 1 mm a 10 mm. El producto de trituración se puede verter y procesar en un mezclador. En este sentido, el producto de trituración, las agujas de fibra, puede seguir siendo procesado por medios sencillos.

El material de partida, los elementos que han de ser triturados, contienen alrededor de un 30 % en peso a un % en peso de matriz y un 60 % en peso a un 70 % de fibras.

A partir de agujas de fibra de la longitud anteriormente mencionada se pueden producir nuevas piezas moldeadas, en donde una alineación arbitraria de las agujas de fibra y una distribución uniforme de las agujas de fibra de diferentes longitudes conducen, por un lado, a un comportamiento de resistencia isométrica y, por otro, a una resistencia sorprendentemente alta de la nueva pieza moldeada producida. En este sentido, el material de fibra reciclado en forma de agujas de fibra puede destinarse a una reutilización de alta calidad.

Por medio de un análisis granulométrico se puede determinar una curva granulométrica para una cantidad de productos de trituración. En este contexto es concebible, por ejemplo, realizar un análisis granulométrico para cada fracción de elementos que han de ser triturados y determinar la curva granulométrica de la fracción triturada.

La curva granulométrica muestra la distribución de las longitudes de fibra de las agujas de fibra de la fracción triturada. Esto permite determinar qué distribución de longitudes de fibra tienen los productos triturados de la fracción triturada.

Por lo tanto, al mezclar diferentes fracciones que tienen diferentes curvas granulométricas es posible producir una distribución predeterminada de longitudes de fibra para una cantidad de productos de trituración. Esto posibilita la producción de piezas moldeadas con propiedades de producto invariables. Además, es concebible especificar diferentes formulaciones para diferentes fines de aplicación, que deben tener una distribución determinada de las longitudes de fibra. Esto puede lograrse mezclando selectivamente fracciones de productos de trituración que presenten una distribución diferente de las longitudes de fibra.

Un reactor de impacto según la invención presenta una camisa cilíndrica que está provista de una base en una cara frontal y de una tapa en la otra cara frontal. Un cuerpo de impacto montado de forma giratoria está asociado a la base. La camisa cilíndrica, la base y la tapa encierran una cámara del reactor de impacto. La tapa está provista de una abertura para recibir los elementos. El cuerpo de impacto puede incluir cadenas o estar diseñado como un rotor provisto de elementos de impacto.

En la zona circunferencial del reactor de impacto pueden estar dispuestas aberturas de expulsión. Preferiblemente, las aberturas de expulsión están asociadas a la camisa. Las aberturas de expulsión pueden cerrarse mediante compuertas. Las aberturas de expulsión permiten la descarga de los productos de trituración.

Preferiblemente, las aberturas de expulsión están configuradas de tal manera que el producto de trituración puede ser descargado continuamente desde el reactor de impacto. En este contexto resulta ventajoso que el tiempo de permanencia del material compuesto de fibra en la cámara del reactor de impacto sea muy corto para que el efecto mecánico del cuerpo de impacto sea limitado. Los productos de trituración se descargan ya cuando se alcanza la longitud de fibra deseada. En este contexto resulta ventajoso que una gran parte de la matriz siga adherida a las fibras y que las agujas de fibra que forman el producto de trituración tengan bordes de rotura afilados e irregulares, lo que mejora el depósito de nueva matriz.

Las aberturas de expulsión pueden estar cubiertas con chapas de cubierta ranuradas o perforadas. Las chapas de cubierta ranuradas o perforadas permiten, por un lado, una descarga continua de los productos de trituración y, por otro, una descarga de los productos de trituración tan pronto como hayan alcanzado la longitud de fibra deseada. Por un lado, esto significa que el tiempo de permanencia del material compuesto de fibra en el reactor de impacto es muy corto y, por otro lado, se pueden descargar del reactor de impacto agujas de fibra con una gran longitud de fibra.

A este respecto, durante la trituración de los elementos se produce una descarga continua de material triturado. Los productos de trituración salen inmediatamente del reactor de impacto cuando se han triturado hasta el punto de poder atravesar las chapas de cubierta.

La elección de las chapas de cubierta puede modificarse en función de un análisis granulométrico realizado previamente. Por ejemplo, las chapas de cubierta pueden seleccionarse con respecto al diámetro y la geometría de las aberturas de paso de manera que puedan descargarse del reactor de impacto agujas de fibra con una distribución deseada de las longitudes de fibra.

Se pueden prever chapas de cubierta con aberturas de paso de diferentes dimensiones. De este modo, durante la descarga de las agujas de fibra del reactor de impacto ya puede tener lugar una separación de las agujas de fibra en función de la longitud de fibra.

Si se desea llevar a cabo una trituración adicional, las placas de cubierta pueden cerrarse mediante compuertas de cubierta.

Además de las chapas de cubierta, también pueden estar previstas compuertas de expulsión para expulsar piezas grandes. Esto es especialmente ventajoso cuando se procesan materiales compuestos con combinaciones de materiales en el reactor de impacto. Si el material compuesto contiene tanto componentes metálicos como material compuesto de fibra, el material compuesto de fibra en forma de agujas de fibra se expulsa continuamente del reactor de impacto durante la trituración. A continuación, el componente metálico puede retirarse a través de la compuerta de expulsión.

El reactor de impacto puede tener asociado un dispositivo de clasificación. Éste se puede conectar directamente a la abertura de expulsión. El dispositivo de clasificación puede incluir tamices que permiten clasificar los productos de trituración en función de la longitud de fibra. A este respecto, después de que los productos de trituración hayan salido de la abertura de expulsión se puede realizar un análisis granulométrico, o las fibras se pueden clasificar según su longitud. Esto permite una composición ventajosa de fibras con una determinada longitud de fibra. La distribución ventajosa de las longitudes de fibra seleccionadas también puede lograrse mediante la selección de las chapas de cubierta anteriormente descritas. A partir de ello se pueden producir nuevas piezas moldeadas de alta calidad.

El material de fibra puede contener fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de basalto y/o fibras de aramida. Los materiales compuestos de fibra producidos a partir de fibras de vidrio o de basalto son baratos, pero también se producen en una cantidad especialmente grande. Los materiales compuestos de fibra producidos a partir de fibras de carbono son especialmente costosos y difíciles de procesar. Debido a su alta resistencia, el reciclaje de estos materiales compuestos de fibra ha sido difícil hasta ahora. Sin embargo, se ha demostrado que los cuerpos moldeados hechos con las agujas de fibra tienen muy buenas propiedades materiales, especialmente cuando las agujas de fibra comprenden fibras de carbono. Las agujas de fibra que forman el producto triturado consisten en haces de fibras de carbono a los que se adhiere la matriz.

Para crear una unión firme entre la matriz y las fibras, las fibras se proveen de un apresto. A este respecto, por ejemplo, las fibras de vidrio se proveen de aprestos de fibra de vidrio y las fibras de carbono de aprestos de fibra de carbono. Los aprestos se depositan sobre las fibras en forma de un revestimiento y mejoran la adhesividad con respecto a la matriz. Las agujas de fibra producidas mediante el procedimiento según la invención contienen fibras con apresto adherente y matriz adherente. En este sentido, no es necesario proveer las agujas de fibra de un nuevo apresto. Las agujas de fibra pueden incrustarse directamente en una nueva matriz y procesarse posteriormente para obtener una pieza moldeada. El hecho de que el apresto original se adhiera a las fibras garantiza que la nueva matriz se una firmemente a las fibras. Esto da lugar a piezas moldeadas con valores de resistencia sorprendentemente altos, aunque se utilice material de fibra reciclado.

Los elementos pueden ser conducidos a una trituración previa antes de ser triturados en el reactor de impacto. La trituración previa puede utilizarse para producir elementos en forma de bloque a partir de grandes piezas moldeadas, por ejemplo, de palas de rotor de aerogeneradores, que pueden introducirse en un reactor de impacto. La trituración previa puede realizarse, por ejemplo, mediante aserrado o corte por chorro de agua. Los elementos producidos mediante la trituración previa pueden transportarse mediante dispositivos de transporte convencionales, como cintas transportadoras, y se pueden verter.

Según una configuración ventajosa, el producto de trituración puede mezclarse con una nueva matriz y procesarse para obtener piezas moldeadas. Las agujas de fibra producidas mediante el procedimiento según la invención son agitables y pueden procesarse, por ejemplo, en un agitador o mezclador convencional. Mediante la determinación de la curva granulométrica es posible proporcionar una composición de fibras con una distribución específica de las longitudes de fibra, de modo que se pueden producir piezas moldeadas con las propiedades mecánicas deseadas.

Un cuerpo moldeado contiene agujas de fibra, que se pueden obtener mediante el procedimiento anteriormente descrito, y matriz. La matriz está hecha preferentemente de un material termoestable, por ejemplo de una resina sintética. Para ello, las agujas de fibra se mezclan con una matriz líquida y se transforman en una pieza moldeada, por ejemplo, en material en forma de placas. El procesamiento posterior se realiza, por ejemplo, mediante prensado y acción del calor. En este contexto, la matriz se endurece y se forma una unión firme entre las agujas de fibra y la matriz. Las agujas de fibra pueden presentar una distribución preseleccionada de las longitudes de fibra. Las agujas de fibra pueden seleccionarse mediante un análisis granulométrico realizado previamente.

La mezcla de las fibras con la matriz y su posterior procesamiento en una prensa da como resultado una distribución y alineación uniforme de las agujas de fibra. Como resultado de ello, la nueva pieza moldeada producida tiene propiedades de resistencia isométrica. Al utilizar agujas de fibra con diferentes longitudes de fibra, en los huecos entre agujas de fibra más largas se pueden acumular agujas de fibra más cortas. Además, también se procesan productos de trituración en polvo, que también pueden formarse durante la trituración según la invención. La ventaja en este caso consiste en que la disposición densa de las agujas de fibra da lugar a una unión mecánicamente fuerte y en que sólo se necesita una pequeña cantidad de matriz nueva para producir piezas moldeadas.

Antes de la trituración, el producto inicial presenta entre un 30 % en peso y un 40 % en peso de matriz y entre un 60 % en peso y un 70 % en peso de material de fibra. La nueva pieza moldeada producida a partir de las agujas de fibra trituradas tiene entre un 45 % en peso y un 55 % en peso, preferentemente un 50 % en peso, de matriz. En este sentido, la nueva pieza moldeada contiene una cantidad relativamente pequeña de matriz recién añadida. La cantidad de matriz recién añadida es solo de un 10 % en peso a un 20 % en peso. A este respecto, la pieza moldeada, que está hecha de agujas de fibra, sigue teniendo un contenido de fibra muy alto, del que resulta la alta resistencia.

El procedimiento según la invención se explica con más detalle a continuación con referencia a la figura. Ésta muestra esquemáticamente:

en la Figura 1 un reactor de impacto para llevar a cabo el procedimiento según la invención.

La Figura 1 muestra un reactor 1 de impacto, o más bien una disposición de reactor de impacto para la trituración de elementos que contienen material compuesto de fibra.

El material de partida consiste, por ejemplo, en palas de rotor de aerogeneradores, que presentan componentes estructurales en forma de perfiles incrustados de material compuesto de fibra de carbono. Estas palas de rotor pueden tener una longitud de 60 m. Para poder introducir el material en el reactor 1 de impacto, primero tiene lugar una trituración de las palas de rotor para producir elementos en forma de bloque. La trituración previa se realiza mediante aserrado.

Antes de la trituración, el producto inicial tiene aproximadamente un 35 % en peso de matriz y un 65 % en peso de material de fibra en forma de fibras de carbono. La matriz consiste en una resina sintética termoestable y forma una unión sólida con las fibras de carbono.

El reactor 1 de impacto comprende una base 10 y una camisa 2 cilíndrica de material metálico. En la zona de la base, dentro de la camisa 2, está dispuesto un rotor 3 que está provisto de elementos 5 de impacto. El rotor 3 está conectado operativamente a un electromotor 6 que está dispuesto fuera de la camisa 2. El eje que conecta el rotor 3 con el electromotor 6 se extiende en la dirección axial de la camisa 2 cilíndrica. El rotor 3 está provisto de aletas 4 que sobresalen radialmente del eje. Los elementos 5 de impacto están dispuestos en los extremos de las aletas 4 libres. Los elementos 5 de impacto están fijados de forma recambiable en las aletas 4.

El reactor 1 de impacto está cerrado con una tapa 7 en la cara frontal orientada en sentido opuesto al rotor, de modo que la base 10, la camisa 2 y la tapa 7 encierran una cámara del reactor de impacto. La tapa 7 tiene una abertura 9 de alimentación para introducir los elementos. La camisa 2 también está provista de una abertura 8 de expulsión a nivel del rotor 3 para descargar los productos de trituración. En la abertura 8 de expulsión están instaladas unas chapas 11 perforadas de cubierta. Las chapas 11 de cubierta forman tamices que permiten el paso de productos de trituración con el tamaño de partícula deseado.

Para la trituración, los elementos sometidos a trituración previa se introducen en la cámara del reactor de impacto a través de la abertura 9 de alimentación. Los elementos se trituran para obtener productos de trituración en forma de agujas de fibra bajo la acción del rotor 3 provisto de los elementos 5 de impacto y se descargan de la cámara del reactor de impacto a través de la abertura 8 de expulsión. En la presente configuración, el producto de trituración se retira de la cámara del reactor de impacto de forma continua. Por lo tanto, las agujas de fibra se descargan inmediatamente después de alcanzar la longitud de fibra deseada.

Alternativamente, la abertura de expulsión también puede cerrarse mediante una compuerta, de modo que el dispositivo también es adecuado para un funcionamiento por lotes.

Los productos de trituración en forma de agujas de fibra tienen una longitud de fibra de 0,1 mm a 10 mm. Las agujas de fibra están formadas por material de fibra y matriz adherida al material de fibra. El material de fibra está formado a su vez por haces de fibras y apresto, lo que permite que la matriz se adhiera firmemente al material de fibra. En este sentido, las agujas de fibra siguen siendo un material compuesto de material de fibra y matriz. El material de la fibra está incrustado en la matriz, en donde las agujas de fibra tienen bordes de rotura afilados e irregulares debido a la trituración, lo que mejora la adhesión de la nueva matriz.

Tras la trituración en el rector 1 de impacto, se realiza un análisis granulométrico de una fracción de agujas de fibra y se determina una curva granulométrica. Esto significa que la distribución de longitudes de fibra de la fracción es conocida y se puede producir una mezcla de agujas de fibra con una distribución predeterminada de longitudes de fibra mezclando diferentes fracciones. El análisis granulométrico se lleva a cabo tamizando las agujas de fibra en tamices de tamaño de malla decreciente.

Para la producción de nuevas piezas moldeadas, las agujas de fibra con una distribución deseada de las longitudes de fibra se mezclan con la nueva matriz en un agitador. La nueva matriz consiste preferentemente en resina sintética termoestable. Tras la mezcla tiene lugar un moldeado en una prensa. Durante este proceso se puede aplicar calor. Una vez curada la nueva matriz, se forma la nueva pieza moldeada.

El procedimiento es particularmente adecuado para la producción de material en forma de placas, perfiles o piezas moldeadas tridimensionales con un compuesto de fibra a partir de agujas de fibra recicladas. El nuevo artículo moldeado producido a partir de las agujas de fibra trituradas tiene un total de un 50 % en peso de matriz. La cantidad de nueva matriz añadida es sólo de un 15 % en peso. La cantidad de contenido de fibra es de un 50 % en peso. Las longitudes de las fibras de las agujas de fibra utilizadas aquí son de 1 mm a 10 mm.

El cuerpo moldeado también puede estar configurado como un cuerpo multicapa. En este caso, al menos una capa comprende agujas de fibra. El cuerpo moldeado puede estar formado como un sándwich y, además de las capas de agujas de fibra, tener otras capas de material de fibra, por ejemplo en forma de un tejido. La capa con agujas de fibra puede formar una capa intermedia. Un cuerpo moldeado de este tipo tiene una resistencia especialmente alta y un aspecto de alta calidad.

También es ventajoso que un cuerpo moldeado con agujas de fibra producidas según la invención pueda ser destinado de nuevo al reciclaje.

Las agujas de fibra también pueden constituir un aditivo en artículos elastoméricos, por ejemplo en artículos de caucho como neumáticos y similares.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para reciclar materiales compuestos de fibra, en el que elementos que contienen material compuesto de fibra se introducen en un reactor (1) de impacto y se trituran mediante tensión mecánica, en donde el reactor de impacto presenta una camisa cilíndrica que está provista de una base en una cara frontal y de una tapa en la otra cara frontal, en donde la base tiene asociado un cuerpo de impacto montado de forma giratoria, en donde la camisa cilíndrica, la base y la tapa encierran una cámara de reactor de impacto y en donde la tapa está provista de una abertura para recibir los elementos, en donde la trituración por el cuerpo de impacto tiene lugar de forma que como producto de trituración se producen agujas de fibra con matriz adherida.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que el producto de trituración contiene agujas de fibra con una longitud de fibra de 0,1 mm a 20 mm.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que se determina una curva granulométrica para una cantidad de productos de trituración mediante un análisis granulométrico.

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el producto de trituración se descarga del reactor (1) de impacto de forma continua.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el reactor (1) de impacto tiene aberturas (8) de expulsión.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado por que las aberturas (8) de expulsión están cubiertas con chapas (11) de cubierta ranuradas o perforadas.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que los materiales compuestos de fibra comprenden fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de basalto y/o fibras de aramida.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que el producto de trituración comprende fibras de carbono con apresto adherente y matriz adherente.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que los elementos son sometidos a una trituración previa antes de ser triturados en el reactor (1) de impacto.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el producto de trituración se mezcla con matriz nueva y se procesa para obtener piezas moldeadas.