废弃FRP的高效破碎及在沥青中应用

畅莹，冯立超,，刘卫生，朱晓华，陈林洋，江海港，王晨

（1.淮海工学院 机械工程学院，江苏 连云港 222005；2.连云港中复连众复合材料集团有限公司，江苏 连云港 222006）

废弃FRP的高效破碎及在沥青中应用

畅莹1，冯立超1,2，刘卫生2，朱晓华1，陈林洋1，江海港1，王晨1

（1.淮海工学院 机械工程学院，江苏 连云港 222005；2.连云港中复连众复合材料集团有限公司，江苏 连云港 222006）

针对风电叶片生产过程中产生的FRP边角废料难以处理、污染环境的关键问题，研究了FRP边角废料的循环再利用技术。研究表明，FRP材料的抗剪强度远低于其抗拉强度与抗压强度，据此设计、制造了剪切式破碎机和二级粉碎设备，经破碎、二级粉碎后可获得细的FRP粉碎料，将FRP粉碎料引入沥青后，可明显改善沥青的针入度、软化点等性能。

风电叶片；FRP废料；破碎；沥青

以热固性树脂为基体的纤维增强复合材料（FRP）由于具有比强度、比刚度高等诸多优点而被广泛应用于制造风电叶片。在风电叶片制造过程中通常每片平均约产生700kg的边角废料，据统计全国年产风电叶片约5万片，产生FRP边角废料约3.5万吨。由于FRP材料不易降解与回收，传统的掩埋、焚烧方法对环境污染大，严重影响风电产业的快速发展。

目前，热固性树脂FRP处理及回收大致可以分为以下三种工艺：化学回收法、能量回收法、物理回收法。其中，物理回收法是利用物理方法将废弃FRP粉碎处理后将粉碎料作为其它材料的填料实现回收利用，该方法工艺简单，生产成本低，不会造成二次污染，是最容易实现工业化的处理方法。该方法实现工业化的关键是大量高效破碎设备和破碎料的大规模应用。由于FRP材料具有优异的强韧性能，常规的破碎设备难以满足使用要求，而破碎料作为填料的用量也相对较少。因此本文提出研发废弃FRP工业化破碎、粉碎设备，并探讨了粉碎料在沥青中的应用。

1 破碎设备与二级粉碎设备研发

本研究通过力学性能实验得出，FRP材料的抗拉强度达到600MPa，而其抗剪强度约为125MPa，仅为其抗拉强度20%，其抗压强度约为500MPa。由此可知，FRP材料在剪应力的作用下最容易发生破坏。因此，本研究设计、制造了双轴剪切式破碎设备（见图1a、1b），主要由动力部分、破碎刀棍、破碎室及料斗、皮带输送装置与控制系统组成。其工作原理为：电动机经减速器带动一对呈剪切作用方式的刀棍同步低速旋转（5～15r/min），废弃FRP边角料通过输送装置加入料斗并进入破碎室，受到刀具的剪断、撕裂、劈砍作用而破碎，破碎后的物料自下部出料口排出，获得30～50mm的块状和片状物料（见图1c）。

图1 破碎设备结构示意图与破碎料

由图1可见，破碎料尺寸较大，为此研发了二级粉碎设备（见图2a、2b），主要由动力部分、定刀架、动刀棍、料斗、粉碎室、输料管道、分离装置和控制系统组成。其工作原理为：电动机带动动刀棍高速旋转，经破碎处理后的FRP物料加入料斗并进入粉碎室，通过动刀与定刀之间的剪切、撕裂作用，以及动刀的冲击、劈砍作用实现物料的高效粉碎，粉碎后符合粒度要求的物料颗粒在气流作用下通过筛板，经输料管道进入分离装置，物料由出料口排出，粉尘由出尘口排入除尘系统。未通过筛板的粗粒级物料在风机工作形成的环型气流作用下重新被带入粉碎工作区域进一步粉碎，可获得直径不大于2mm的环氧树脂颗粒和长度不大于8mm的玻璃纤维（见图2c）。

为了提高破碎设备与二级粉碎设备的工作效率与使用寿命，本研究采用了表层镀金刚砂的合金钢刀具。设备处理量可达到5吨/小时，满足工业化生产的需求。

2 FRP边角废料粉碎料在沥青中的应用

本研究选择中海36-190#基质沥青，其25℃针入度为99.5（0.1mm）、软化点为36.8℃，采用FRP边角废料粉碎料作为添加相，添加量分别为0%、5%、10%、15%、20%。首先，将基质沥青加热至融化并保温，加入FRP粉碎料，在剪切机上搅拌30～50min，降温至100～120℃，静置30～50min使其充分溶胀，然后再次剪切搅拌60～80min，制备FRP粉碎料改性沥青试样。分别利用沥青针入度测定仪和沥青软化点测试仪，按GB/ T0604-2000测试试样的针入度，按GB/T0606-2000测试试样的软化点。

图2 二级粉碎设备结构示意图与粉碎料

图3a给出了FRP粉碎料改性沥青的针入度随粉碎料添加量的变化趋势，由图可以看出，FRP粉碎料改性沥青试样的针入度与单一基质沥青相比明显降低，尤其是当FRP粉碎料的添加量为20wt.%时，试样的针入度值为58.5（0.1mm），仅为单一基质沥青试样的58.8%。由此可知，FRP粉碎料的引入有效提升了基质沥青的抗变形能力。图3b给出了FRP粉碎料改性沥青的软化点随粉碎料添加量的变化趋势.结果表明，FRP粉碎料改性沥青试样的软化点与单一基质沥青相比明显提高，尤其是当FRP粉碎料的添加量为20wt.%时，试样的软化点达到79℃，远高于基质沥青的36.8℃。由此可知，FRP粉碎料的引入大大改善了沥青的抗高温性能，有利于提高夏季高温地区沥青的使用稳定性。

图3 FRP粉碎料/沥青材料的(a)针入度与(b)软化点变化

3 结论

（1）研发、制造了风电生产FRP边角废料高效破碎与二级粉碎设备，可获得树脂颗粒（直径约2mm）和短玻璃纤维（长度不大于8mm）的混合物，处理量可达到5吨/小时，满足工业化生产的需求。

（2）FRP粉碎料的引入能够有效提升基质沥青的抗变形能力和抗高温性能，对下一步粉碎料在沥青材料中的推广应用具有一定的指导意义。

[1]常燕，王兆增，崔元胜，等. 风电叶片复合材料的研究进展及其应用[J]. 工程塑料应用，2014,42(4)：135-139.

[2]徐佳，孙超明. 树脂基复合材料废弃物的回收利用技术[J]. 玻璃钢/复合材料，2009,(4):100～103.

X705

A

1671-0711（2017）01（下）-0171-02

江苏省博士后基金资助项目（1402129C）；连云港市产学研联合研究项目（CXY1405）；江苏省高校自然科学研究面上项目（16KJB430003）；江苏省研究生教育教学改革研究与实践课题（JGLX15_179）。