浅谈复合材料的绿色制造

浅谈复合材料的绿色制造

吴宣成

广东金鑫得新材料有限公司广东佛山528216

摘要：随着复合材料在电子制造业的大量应用，大量的废料和废弃物不仅造成巨大的物质浪费，也给我们所赖以生存的环境带来污染。本文提出从管理的角度和利用数字化制造技术；大力开发应用新型绿色复合材料；利用先进工艺对已固化废弃复合材料进行循环利用等来降低消耗，减少环境污染。实践证明，通过有效的管理和制造技术的革命，不仅能获得很好的经济效益，更为重要的是，它符合我国所倡导的可持续发展的绿色制造理念。

关键词：复合材料；绿色制造

1概述

我国的经济在多年持续高速增长的同时，也给我们的资源和环境带来了巨大的压力，在进入21世纪后，如何遏制资源浪费和环境污染，已是我们面临的重要课题。随着我国科技的进一步发展，我国电子行业越来越多地使用复合材料来制造相关元器件，如天线、天线罩、印制板及一些结构件等。由于复合材料具有金属等其他材料所没有的一些优异性能，复合材料将在电子制造中扮演更为重要的角色。但据对先进复合材料工业进行的调查统计显示，由于管理和生产技术的落后，在复合材料制造过程中产生大量的废料，其中66％是未用过的预浸料，约18％是固化后的零件，14％是边角料，l％或2％来自零件精加工和粘接的蜂窝，如图1所示。因此先进复合材料的废料由约2／3的预浸料废料和1／3的边角料和固化后的零件构成。大量未用的预浸料不但造成巨大的资源浪费，提高了生产成本，而且还会对环境造成污染。本文重点阐述的就是在复合材料设计和制造过程中如何执行绿色制造的理念，降低制造成本，减少废料对环境造成的污染。

图1复合材料废料的构成比例

2提高管理水平，提升生产技术

2.1提高材料的再利用率

在生产过程中，首先是尽量减少废品的产生，但在减少废料的形成之后，对环境管理来说，下一步最好的方法包括系统、零部件和组分的再利用，如重新使用废预浸料制成复合材料零部件，将会使废预浸料获得最高的价值。对于复合材料，拿预浸料为例，备有严格证明文件并处于良好状态的过剩预浸料常常能在内部再分配。如果材料出现某些降质，或超过了材料的截止期，有时能找到较低标准许可的应用。尽管不能作为严格控制的库存物的代用品，但对未固化废弃预浸料最通常的处理方法，除了地下填埋外，还可以制成平板等其他要求不高的物品，不仅能创造经济价值，最重要的是能使对环境的污染降到最低。

2.2控制储存和使用环境

预浸料储存和使用环境的控制要素主要是温度、湿度和介质。制备和使用预浸料的环境温度应在20℃左右。温度过高，将促进树脂固化，缩短其储存期和工作寿命。预浸料的储存温度一般在-18℃，可以保证预浸料有较长的储存寿命。湿度对预浸料性能的影响尤为严重，一方面树脂吸水后，水分将起到增塑作用，使树脂的玻璃化温度降低，不利于储存；另一方面预浸料中含水，往往导致复合材料中空隙含量增大，制品废品率增高。所以储存的预浸料需包装完好，储存环境要经常通风除湿。

2.3使用数字化制造技术

高性能复合材料为生产轻质、高性能的产品提供了巨大的机会，但是，高材料成本、设计和制造复合材料的复杂性在很大程度上抵消了复合材料的使用效益。数字化制造技术的发展为降低成本，提高复合材料生产效率，缩短复合材料产品的开发时间，减少材料浪费，降低工具损耗提供了有力的保障。

图2复合材料制件数字化生产的基本要素和实现途径

从工艺方面来说，对制件进行准确的工艺评估是获得合理设计结果和确保高质量产品的一个关键因素。传统的生产方式进行这项工作是以大量的工艺实验作为评估依据，这种工作方式不仅导致大量的材料和工时耗费，同时设计和制造部门的协调工作难以同时交互实施，从而与高效率的现代工程理念相违背。采用计算机数值模拟方法取代工艺实验来发现制件设计方案和工艺方案的隐患并加以改进。由于工艺实验被取代，制件因工艺实验导致的成本因素可免除，而设计方案的工艺性评估和修改也可由设计和制造部门同时同地迅速进行，形成高效率的运作模式。

3废固化复合材料的再循环利用

在研究已固化复合材料循环利用的方法中，大致有四种除去基体树脂的技术它们是：催化转化、逆向气化、直接加温热解和在流化床中热解。每一种技术都存在问题，但每一种方法都可以进行技术改进使之在商业上可行。固化复合材料的循环再利用主要有增强纤维的循环利用和树脂的分解利用两个方面。

3.1增强纤维的循环再利用

对于复合材料增强纤维的再利用，首先须将纤维从固化的基体材料中分离出来。对于热固性和热塑性基体复合材料都可以使用热、化学和热化学方法很容易进行分解而基本上不会使纤维降解。用再循环纤维制成的复合材料的力学性能受到纤维强度、长度分布和界面粘结的影响，因为非常小的表面缺陷就可能产生重大的影响，而一些除去树脂基体的方法可能对纤维表面造成影响，所以再循环增强纤维的一个潜在应用是它们同其他来源分离出来的再循环聚合物结合起来再制成低成本复合材料。

3.2固化树脂的分解再利用

树脂基体分解产品的成分取决于除去基体所使用的工艺。低温催化转化基本上产生气体形式的低相对分子质量的碳氢化合物。这种化合物可以蒸馏成化工原料或作为燃料使用。碳氢化合物的组成依赖于基体材料的组分。用逆向气化法除去基体能产生可燃烧的气体，这种气体可以作为能源加以储备和使用。用流化床燃烧分解树脂基体，基体在床中被氧化，产生能量和氧化产品。如片状模塑料（SMC）含有碳酸钙填料，可以与煤一起燃烧，既产生能量也可减少含硫氧化物的散发。

3.3其他再循环工艺方法

废料作为能量焚化是一个相对简单的工艺，对于某些类型的复合材料，它可能是最为经济可行的处理技术。但某些基体材料可能产生有毒的排出物，因此在焚烧时要有相应的处理措施，如安装排出物控制清除器等。

4结语

在电子行业复合材料的制造过程中，经常出现材料浪费现象并造成环境污染。

参考文献：

[1].宁波材料所“热塑性碳纤维复合材料——绿色制造”获中国好设计银奖[J].玻璃钢/复合材料，2017（03）：102.

[2]唐见茂.航空航天复合材料绿色化发展浅析[J].航天器环境工程，2015，32（05）：457-463.

[3]陈潇健.两种车用高分子材料的绿色工程化应用研究[D].扬州大学，2016.

[4]吕鹏.绿色制造理论在母线制造中的应用与研究[D].辽宁工程技术大学，2015.