XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Вторичная переработка композитных материалов, используемых в беспилотных летательных аппаратах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чигинцев Г.И. 1

---

1МОУ СОШ №1 г. Копейск Челябинская область

Гофман Н.В. 1

---

1МОУ СОШ №1 г. Копейск Челябинская область

Работа в формате PDF

2.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ещё в детском саду нас познакомили с вопросом вторичной переработки отходов. Наша семья всегда сортирует мусор: бумагу сдаём в макулатуру, крышки от пластиковых бутылок в «МастерДома», батарейки – в «Аккумуляторный центр», пластиковые бутылки (ПЭТ) в компанию «Люкс вода», за это даже начисляются бонусы. В нашем городе несколько центров приёма и переработки бытовых отходов разного типа.

В школе на уроках окружающего мира мы узнали, что вопрос вторичной переработки отходов является важным на всей планете. Многие отходы могут служить сырьём для производства различной продукции. Но, к сожалению, большая часть мусора отправляется на свалки и полигоны без сортировки и обезвреживания. И только около 5% отходов перерабатываются. Горы мусора растут, токсичные вещества со свалок угрожают жизни и здоровью населения планеты. Они просачиваются и загрязняют грунтовые воды, почва становится не пригодной для выращиваний растений. На планете назрел экологический кризис.

Я посещаю кружок авиамоделирования уже два года, где занимаюсь конструированием моделей беспилотников из композитных материалов. В нашей прошлой научной работе «Материалы для создания беспилотных летающих моделей» выяснили, что композит заполнил огромную часть рынка приоритетных материалов. А если учесть, что большинство направлений – космос, стоматология, беспилотники, детали в автомобильном строении от бампера до элементов внутренней отделки салонов – применяют композиты, у нас возникли вопросы: «Куда деваются детали и прочие изделия, вышедшие из строя?» «Кто занимается переработкой композитного материала?» «Куда утилизируют вышедший из строя композит?».

Объект исследования: композитные материалы.

Предмет исследования: утилизация и вторичная переработка композитных материалов,используемых в беспилотных летательных аппаратах.

Цель: выявить наиболее эффективные способы утилизации композитных материалов и найти применение вторичному композитному материалу.

Задачи:

1. Изучить литературу и интернет-источники о методах и видах переработки и утилизации композитных материалов.

2. Провести опрос по выявлению лучших методов переработки композита.

3. Провести эксперименты, сделать выводы.

4. Систематизировать полученные данные.

На сегодняшний день вопрос утилизации и переработки композита по нашим данным мало изучен. В этом заключается новизнаисследовательской работы. Полученную в ходе изучения информацию можно использоватьв прикладном творчестве, производстве бетонных изделий. В этом заключается практическая значимостьнашегоисследовательского проекта.

Методы исследования:

1. Социологический опрос.

2. Эксперименты.

3. Наблюдения, сравнения, анализ, обобщение.

Глава 1. Теоретическая часть

Всем известно, что ресурсы нашей планеты не безграничны, и человечество должно расходовать их экономно. Неиссякаемым источником сырья мы считаем вторичное использование твёрдых бытовых отходов. Главная цель – улучшение экологической ситуации. Сейчас трудно сказать, почему люди, зная все плюсы и минусы этого направления, не внедряют в жизнь хорошие разработки. Использование вторичного сырья позволяет изготовить множество видов продукции, например, бумажная упаковка, стеклотара, пластиковая упаковка и крышки, алюминиевые банки.

1.1 Что такое композит.

Проблема переработки композитов

Композит – многокомпонентный материал, состоящий из пластичной основы (матрицы) и армирующего наполнителя, придающего композиту прочность и жёсткость. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого качественно и количественно превосходят свойства его составляющих. Многие композиты опережают по своим полезным свойствам традиционные материалы и сплавы и, в то же время, они легче. Использование композитов позволяет увеличить прочность конструкции, снизить вес и увеличить долговечность. Перспективные пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твёрдыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно таким материалом будущего является композит. Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, композитные материалы успешно применяются в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня. Композитные материалы встречаются в нашей повседневной жизни. Это жилые дома из железобетона, отопление, проведённое армированными трубами, в автомобиле бампер из стеклопластика, поршни, покрышки, тормозные колодки. Даже суперлёгкая и прочная удочка для рыбалки сделана из углепластика. В военной отрасли – бронежилеты, броня для танков, приклады автоматов, всё состоит из композиционных материалов. Уменьшение веса, громоздкости и одновременно увеличение прочности и повышение других качественных показателей привело к использованию этого материала.

Растущий объём использования влечёт за собой проблему утилизации отходов и отслуживших изделий. Переработка композитных материалов становится не просто экологической необходимостью, но и перспективным направлением развития, способствующим ресурсосбережению и устойчивому развитию.

Основная сложность переработки композитов заключается в их структуре, состоящей из армирующего волокна и полимерной матрицы, прочно связанных между собой. Разделение этих компонентов для повторного использования – непростая задача, требующая специальных технологий и оборудования.

1.2 Методы переработки композитов

В настоящее время в мире существует несколько методов переработки композитных материалов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

1. Механическая переработка включает в себя измельчение композитных отходов в мелкий порошок или гранулы. Полученный материал может использоваться в качестве наполнителя для новых композитов или в строительстве.

2. Термическая переработка (пиролиз): процесс нагрева композитных отходов в бескислородной среде. Полимерная матрица разлагается, образуя жидкие и газообразные продукты, которые могут быть использованы в качестве топлива или химического сырья. Армирующее волокно остается в виде твёрдого остатка, который может быть использован в качестве наполнителя.

3. Химическая переработка (сольволиз): разложение полимерной матрицы с использованием химических реагентов (растворителей). Этот метод позволяет извлечь армирующее волокно с сохранением его свойств. Полученные полимерные продукты также могут быть переработаны.

4. Переработка методом деструкции с использованием микроволновой энергии позволяет быстро и эффективно разрушать полимерную матрицу, извлекая армирующее волокно. Этот метод является энергоэффективным и экологически чистым.

Переработка композитных материалов имеет огромный потенциал для создания замкнутого цикла производства и снижения негативного воздействия на окружающую среду. Для широкого внедрения технологий переработки необходимо создать эффективную систему сбора и сортировки отходов композитных материалов, обеспечивающую поступление достаточного количества сырья для переработки. В целом – это сложная, но важная задача, требующая комплексного подхода и сотрудничества между производителями, переработчиками и государственными органами.

1.3 Виды переработки и утилизации композитного материала

На сегодняшний день существует несколько видов переработки и утилизации композитных материалов.

1. Захоронение на мусорных полигонах – это относительно дешёвый, но и наименее предпочтительный способ утилизации отходов. К сожалению, во всём мире большая часть производственных отходов ПКМ по-прежнему вывозится на свалки.

2. Сжигание отходов – это процесс переработки, основанный на сжигании органических веществ, содержащихся в отходах. После сжигания 50% композитных отходов остаётся в виде золы и подлежит захоронению.

3. Механическая переработка композитов из стекловолокна – композитные отходы разбиваются, а затем измельчаются на мелкие частицы. Полученная смесь волокна, полимера и добавок затем повторно используется в других продуктах: в качестве наполнителя или армирования асфальта и бетона.

4. Метод переработки в цементных печах – один из способов утилизации композитных отходов в качестве альтернативного топлива в цементной промышленности. Это один из многообещающих методов, поскольку в ходе процесса 100% композитных отходов «восстанавливается» в виде энергии и сырья. В результате чего приблизительно 67% (минеральная часть композита, то есть кремнезем, карбонат кальция, глинозем и т.д.) «встраивается» в клинкер (промежуточный продукт при производстве цемента), а около 33% превращается в энергию (органическая полимерная матрица). Такая переработка отходов стеклопластика не оказывает отрицательного влияния на качество производимого цемента.

Переработка композита может быть выполнена без разделения волокна и матрицы. В этом случае материал будет измельчён и повторно использован в качестве наполнителя для использования в других материалах. Однако при этом способе часть стоимости теряется из-за неполного использования свойств материала, полученного в процессе переработки. Другие методы переработки включают отделение матрицы от волокон. Такие процессы более сложны и дороги, но имеют большую ценность, поскольку в результате появляется возможность изготовления новых деталей или конструкций, в которых восстановленные компоненты могут проявить часть своих первоначальных свойств. Из двух основных составляющих фаз – волокна и матрица, волокна являются наиболее ценными. Но переработка матричного материала более выгодна при условии, что затраты на процесс переработки не превышают затраты на покупку нового материала. Таким образом, можно рассматривать ещё одну подкатегорию методов переработки: те, которые позволяют повторно использовать волокна, и те, которые позволяют повторно использовать матрицу.

Несмотря на все достижения и научные разработки в области углеволокна, стеклопластики по-прежнему остаются доминирующим армирующим материалом на рынке композитов. Углеродные волокна с каждым годом дешевеют и занимают всё большую долю рынка композитов.

Существует категория экологически чистых композитных материалов – биоразлагаемых композитов. Они имеют относительно короткое время разложения после окончания срока службы и, следовательно, требуют меньших усилий по переработке, их можно утилизировать в среде, в которой они могут быстро разлагаться. Однако эти композиты не так широко распространены.

Вторичное волокно имеет дополнительную рыночную стоимость из-за низкого потребления природных ресурсов, энергии и рабочей силы, а также близкого к первичному качества. Наибольшее распространение в мировых исследованиях получили сольволиз (24%), пиролиз (31%) и механическое измельчение (18%), 20% составляют так называемые «прочие» технологии. На рисунке (см.приложение 1) показаны основные направления утилизации и переработки термореактивных композитов.

ГЛАВА 2. Практическая часть

2.1 Описание опытов. Химические растворения

Все перечисленные методы переработки интересны. Чтобы выявить наиболее эффективный, мы провели опрос людей, использующих композитный материал в своей профессиональной деятельности. Нами было опрошено 10 человек, это конструкторы авиамоделей, рабочие оборонных предприятий и сотрудники химического факультета ЧелГУ. Мы задали вопросы по переработке композитных материалов. Собранные ответы отразили в диаграмме. ( см.приложение №2)

Вывод: большинство респондентов (70%) согласны с необходимостью переработки композитных материалов, 80% опрошенных считают механический метод переработки композита эффективным и только 20% опрошенных считают химический метод переработки композита эффективным. 100% согласны с мнением использовать композит лучше как наполнитель.

Поскольку вопрос утилизации и вторичной переработки композитных материалов,используемых в беспилотных летательных аппаратах, очень актуальный, мы решили не останавливаться на опросе и провели эксперименты. С сентября 2024 года я посещаю химический кружок на базе Челябинского государственного университета. Нам разрешили воспользоваться химическими реактивами для нашего эксперимента.

Из неудачно приземлённой мною модели радиоуправляемого планера, получившей повреждения, несовместимые с дальнейшим использованием и починкой, мы и возьмём образец для наших экспериментов для утилизации и вторичной переработки. Сам планер мы изготавливали самостоятельно. И знаем, что композит, в нашем случае – это углеткань, покрытая эпоксидной смолой и заполимиризованная в печи при 60 грудусах в течении 24 часов.

Мы взяли три кусочка композита, в нашем случае углепластик, три пробирки, три вещества-растворителя: соляную кислоту, серную кислоту и щёлочь. В каждую пробирку положили кусочек композита, залили растворителем.

В пробирку №1 налили соляную кислоту,

в пробирку №2 налили серную кислоту,

в пробирку №3 налили щелочь.

Никакой реакции не наблюдалось: ни разбухания, ни нагревания, ни образования газов. (см.приложение №3.) Вывод: при комнатной температуре выбранные растворители не изменили образец.

2.2 Описание опытов. Аппаратные исследования

Не получив видимого результата от растворения, мы обратились к аппаратным анализаторам.

Исследование 1. Рассмотрели углепластик на рентгенофазном приборе.

Разместили кусочек композита на зелёном луче, выходящем из прибора. По правилам техники безопасности наблюдение проводим в защитных очках, прибор излучает неблагоприятный для человеческого глаза свет. Через небольшое количество времени на мониторе компьютера, подключённого к рентгенофозовому анализатору, появляется диаграмма. С расшифровкой нам помогает разобраться лаборант химлаборатории. Углеродные волокна обладают хорошей проницаемостью для рентгеновского излучения, это означает, что они пропускают лучи, не сильно их ослабляя. Однако на рентгенограмме можно выделить широкий рефлекс в области 23-26 градусов, что вероятно свидетельствует об упорядоченности слоёв в углеволокне, наличии ориентации, схожей с графитом. Наличие сигнала меньшей интенсивности в области 15-18 градусов – это след от материала кюветы, в которой снимали образец. (см.приложение № 4)

Исследование 2. Следущий эксперимент проводим на более мощном аппарате, защищённом «освинцовонным» металлом, с тяжёлым и толстым стеклом в просматриваемых окнах. Совершаем те же самые действия.

1. Помещаем образец. Закрываем тяжёлые дверцы, окружающие апппарат.

2. Получаем график, в расшифровке которого нам снова понадобилась помощь учёного-лаборанта.

Рентгенофазовый анализ (РФА) образцов провели методом порошка на дифрактометре ДРОН-3М (Россия), использовали фильтрованное СuΚα-излучение в диапазоне углов дифракции 10 ≤ 2θ ≤ 70 град., приведена рентгенограмма углеволокна.

Структурно-групповой анализ проведён методом спектроскопии комбинационного рассеяния света (КРС) на спектрометре EnSpectr R532 (Россия). Измерения произведены с лазерным возбуждением (λ = 532 нм, мощность 30 мВт) в спектральном диапазоне измерения 160 см^-1 – 4000 см^-1 с разрешением 4 – 6 см^-1. Рассмотрим КР-спектр углеволокна. (см.приложение №5) В области 500-2200 см^-1, 3000-3600 см^-1 наблюдаются полосы небольшой интенсивности, которые вероятно накладываются друг на друга, их расшифровка требует дополнительных исследований.Однако в области 2600 см^-1 фиксируется полоса, которая характерна для графитоподобных материалов. Наличие данной полосы подтверждает слоистую, упорядоченную структуру рассматриваемого углеволокна.

Нам объяснили в лаборатории, как работают аппараты. Оба аппаратных анализатора светят на вещество лучом, который отражается от молекул кристаллической решетки. Отражения попадают на детектор компьютера и, как результ, мы видим это диаграммой на экране монитора.

На основе проведённыхаппаратных исследований можно сделать вывод: согласно полученным данным РФА и КР-спектроскопии, углеволокно схоже с графитом, что и подтверждает его устойчивость к большинству кислот, за исключением сильных окислителей, таких как горячая концентрированная серная кислота и азотная кислота. Для разрушения в щелочных растворах нужна очень высокая температура.

Проведённые исследования показали нам, что химический метод затратный, трудоёмкий, не совсем экологичный, не безопасный и, например, растворение композита в горячих кислотах – многоаспектный.

2.3 Изготовление бетонных и литьевых форм

В ходе опроса нам предложили использовать композит, как наполнитель в бетонных изделиях. Бетон широко распространён в качестве сырья в строительной сфере, соответственно расходуется в больших объёмах. Его возможно производить дома.

Для следующего эксперимента нам понадобится цемент, песок, вода и кусок композита.

Ход работы.

1. Из использованного композита необходимо получить измельчённую фракцию. Для измельчения достаточно взять ножницы покрепче, в нашем случае, это ножницы по металлу. Куски мы резали квадратиками примерно 2Х2 см.

2. Цемент и песок смешиваем с водой, соблюдая пропорции, получаем смесь для заливки бетона.

3. Берём 2 формы, одну заливаем полученной смесью, добавляя при этом измельчённую фракцию композита. Другую форму заливаем просто раствором.

4. Когда формы застыли, вытаскиваем готовые изделия.

5. Взвешиваем оба бетонных изделия, первый вариант с композитным наполнителем легче. Композит здесь выступает как армирование и как наполнитель. Результаты представлены в приложении №6.

Делаем выводы:

1. Изготовление бетонного изделия с использованием композитных остатков экономит количество затраченного сырья, укрепляет изделие армированием.

2. Снижается вес готового изделия.

Бетон – один из базовых материалов, применяемых в строительстве различных объектов, ограждений, в производстве многих изделий. Мы предлагаем изготавливать формы-кирпичи с использованием композита и облагораживать ими придомовые площадки, вместо тротуарной плитки. Можно использовать этот материал для изготовления монументов, статуй, бетонных колон, украшающих фасады зданий, лестниц и пр.

Во втором эксперименте с использованием композита в качестве наполнителя мы предлагаем взять основным сырьём литьевой пластик. Это  тип пластика, который используется для литья (под давлением) в форме, обычно в виде жидких или расплавленных полимеров, которые затвердевают, принимая нужную форму. Он применяется для производства различных изделий, таких как детали для автомобилей, бытовая техника и другие .

Снова измельчаем ножницами по металлу композит в мелкую фракцию. Берём 2 формы, одну заливаем литьевым пластиком с композитом, другую просто литьевым пластиком. Даём застыть. Наши изделия готовы!

Знаем, что пластик лёгкий, поэтому взвешивать и сравнивать вес изделий мы не стали. Считаем использования композита в качестве наполнителя – это хорошая экономия основного сырья, и укрепление изделия армированием. Результаты представлены в приложении №7.

Надо учесть, что литьевой пластик достаточно дорогой, а композитный материал можно использовать как наполнитель до 70 %. Считаем это превосходным результатом.

Заключение

Утилизация отходов – важная тема нашей современности. Сегодня, когда активно развивается область изготовления и применения беспилотников, важно уделять большое внимание утилизации используемого материала. Если не заняться этими вопросами в плотную, количество отходов может достигнуть угрожающих размеров. Ликвидация, а в идеале повторное использование материала – лучшее решение данного вопроса. Многие страны уделяют много внимания утилизации и ресайклингу. Мы можем применять их опыт, находя оптимальное решение, подходящее нашей экологической проблеме. Важно создавать и осваивать все альтернативные методы по переработке вторсырья, начиная с налаживания сортировки, продолжая развитием самих методов и путей. Метод вторичной переработки отходов – наиболее эффективный, с точки зрения превращение ненужных вещей в новые, необходимые и полезные.

Цель нашего исследования достигнута, мы выявили наиболее эффективные способы утилизации композитных материалов, используемых в беспилотных летательных аппаратах – это механическая переработка и переработка методом деструкции с использованием микроволновой энергии. В ходе проделанной работы по теме проекта мы решили поставленные задачи и сделали следующие выводы.

1. Изучили литературу и интернет-источники о методах и видах переработки и утилизации композитных материалов.

2. Провели опрос по выявлению лучших методов переработки композита. Это механический метод.

3. Провели эксперименты, систематизировали полученные данные,

сделали выводы:

1) при комнатной температуре растворители не могут изменить структуру композита;

2) углеволокно схоже с графитом, это подтверждает его устойчивость к большинству кислот. Для разрушения в щелочных растворах нужна

очень высокая температура;

3) химический метод затратный, трудоёмкий, не совсем экологичный, не безопасный.

Мы нашли эффективное применение вторичному композитному материалу.

• Изготовление бетонных изделий с использованием композитных остатков экономит количество затраченного сырья, укрепляет изделие армированием;

• снижается вес готового изделия.

Можно использовать материал для изготовления монументов, статуй, бетонных колон, украшающих фасады зданий, лестниц и пр.. Мы предлагаем изготавливать формы-кирпичи с использованием композита и облагораживать ими придомовые площадки, вместо тротуарной плитки.

• использование композита в качестве наполнителя в производстве изделий из литьевого пластика – хорошая экономия основного сырья и укрепление изделия армированием.

Можно использовать это в прикладном творчестве.

• смешивать измельчённый отработанный композит и закатывать в асфальт.

Считаем нашу работу актуальной и практически значимой, надеемсяполученная информация и результаты исследования заинтересуют студентов, преподавателей. Материалы могут быть использованы в дальнейших исследованиях. Мы глубоко убежденны в том, если научиться правильно распределять мусор, эффективно использовать отработанный материал, в будущем мир станет чище.

Список литературы

1.Вольфсон С.А. Энциклопедия. Пластики и производство. Изд. МСовременное естествознание. Магистр Пресс, 2001.-т. 10. Современные технологии-272с.

2. Жилин Д.М. Современные проблемы утилизации мусора// Химия в школе.-2010.-№1 –с.12

Интернет-источники

1.https://yandex.ru/video/preview/1511536768176789262

2. https://compositeworld.ru/articles/tech/id61c2dcfb8606de0019d92093

3.https://pmcomposite.ru/articles/stati-zavoda-ooo-pm-kompozit/pererabotka-kompozitnykh-materialov-vyzov-sovremennosti-i-put-k-ustoychivomu-razvitiyu/

4. https://moluch.ru/young/archive/17/1218/

https://compositeworld.ru/articles/all/date/page_1

Приложение 1

Схема сценариев переработки ПКМ, армированных углеродным волокном/стекловолокном, по окончанию их срока службы.

Приложение 2

Таблица опроса

Приложение 3

Результаты наблюдений за изменениями композита

в химических растворителях

Таблица 1. Дата наблюдения 23.05.2025

Таблица №2. Дата 06.06.2025

Приложение 3

Приложение 4

Рентгенограмма углеволокна.

Приложение 5

Спектр комбинационного рассеяния углеволокна.

Приложение 6

Ход работы: заливки композита в бетон

Приложение 6

Результат заливки композита в бетон

Приложение 6

Приложение 7

Ход работы: заливки композита в литьевой пластик

Приложение 7

Результат заливки литьевого пластика