一種低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法與流程

2023-09-24 01:27:20 1

本發明涉及一種低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，屬於纖維複合材料技術領域。

背景技術：

碳纖維複合材料因其高強度、超輕、耐高溫高壓等優點被廣泛應用於國防、航空航天、建築、交通運輸與能源等多個領域。碳纖維是碳纖維複合材料的重要組成成分，有很大的需求量而且價格昂貴。預計2020年全球碳纖維需求量可達2.5萬噸，按平均價格200元/千克計算，價值50億元以上，碳纖維複合材料的需求量越大其廢棄物也越多，另外碳纖維複合材料在生產過程中產生的邊角料、殘次品、使用過程中破壞的結構件等中都含有大量昂貴的碳纖維，其回收與再生利用正在成為全球面臨的關鍵問題。

碳纖維增強樹脂基複合材料是由增強體碳纖維和樹脂基體複合而成，由於碳纖維和樹脂基體的界面潤溼性好、結合緊密，難以分離，導致碳纖維的回收再利用比較困難。

公告號為cn104592546a的發明專利中公開了一種回收廢舊碳纖維/環氧樹脂複合材料的方法，具體公開了以下內容：本發明提供的回收廢舊碳纖維/環氧樹脂複合材料的方法，是一種利用溶劑法組合壓力法來回收廢舊碳纖維/環氧樹脂複合材料，全過程只需一步，用無機酸與有機酸的組合酸、有機溶劑的組合溶劑以及組合氧化劑在高溫高壓下處理廢舊碳纖維/環氧樹脂複合材料，分離得到表面無明顯缺陷的殘留樹脂極少的碳纖維。

上述發明專利用溶劑法分解回收得到表面無明顯缺陷的殘留樹脂極少的碳纖維，但是使用大量溶劑可能會對環境產生汙染，處理後的碳纖維不易與溶劑分離，操作過程複雜，成本較高，並且該方法對碳纖維增強樹脂複合材料的種類有選擇性，並非適合所有的基體樹脂。

公告號為cn102558603b的發明專利中公開了一步法回收並改性碳纖維的方法，具體公開了以下內容：本發明通過機械破碎的方法將聚合物碳纖維複合材料破碎成合適的大小，再將破碎後的聚合物碳纖維複合材料、溶劑和催化劑加入高壓反應釜中，利用一定溫度和壓力的水分解碳纖維複合材料的聚合物基體，最終得到力學性能優異、表面接有-cooh和-oh等活性基團的回收碳纖維。本發明反應步驟簡單，高溫高壓的水能充分分解碳纖維複合材料的聚合物基體，在不破壞碳纖維內部結構的同時使碳纖維表面接上-cooh和-oh等活性基團。回收得到的碳纖維力學性能優異，可再次作為複合材料的增強材料使用。

上述發明專利採用機械法和溶劑法結合的方法回收碳纖維樹脂基複合材料。但是該方法需要高溫高壓的反應條件，增加了回收成本；反應時間長，流程複雜；在機械力的作用下破碎複合材料的同時也破壞了纖維長度及性能，從而降低了回收所得碳纖維的價值，影響碳纖維的再生利用，造成可利用資源的浪費。

公告號為cn103665427b的發明專利中公開了一種廢棄碳纖維複合材料裂解回收碳纖維的方法，具體公開了以下內容：

本發明涉及一種廢棄碳纖維複合材料裂解回收碳纖維的方法，該方法包括以下步驟：(1)將廢棄碳纖維複合材料放入裂解裝置的爐膛內，關嚴爐門後通入氮氣數分鐘，將爐膛內空氣完全排出形成無氧惰性環境；(2)對爐膛內的物料加熱至溫度到350-900℃後，保持0.5-5.0hr並停爐，使爐膛內的物料自然降溫，樹脂在爐膛內發生熱裂解反應；(3)將所述的降溫後的爐膛打開取出產物。與現有技術相比，本發明所得的碳纖維有利於後續的切斷或者粉碎加工，並且在加工後容易分散成單纖維。本發明所得的碳纖維回收率高，性能下降程度小，操作工藝簡單，適合工業化生產。

上述發明專利採用惰性氣體作為保護氣氛，加熱碳纖維複合材料，使樹脂發生裂解反應，得到固態碳纖維回收物。通常採用裂解方法回收得到的碳纖維表面易結碳，另外裂解過程可能產生有害氣體。

公告號為cn105199139a的發明專利中公開了一種碳纖維複合材料回收方法，具體公開了以下內容：

本發明涉及一種碳纖維複合材料回收方法，包括如下步驟，將廢棄的碳纖維複合材料放入攪拌清洗設備中進行清洗，將碎片平鋪於託盤上，放置於微波爐中，

對託盤中的碳纖維複合材料碎片進行輻照加熱處理，在微波爐中填充有惰性氣體對碳纖維複合材料在微波爐內發生降解反應進行保護，碳纖維複合材料降解完成後，得到固態的碳纖維回收物。通過對碳纖維複合材料進行清洗，能夠剔除碳纖維複合材料表面的雜質，能夠提高碳纖維複合材料中碳纖維的回收率，同時通過將碳纖維複合材料切割為碎片，進一步提升碳纖維複合材料在微波爐中的降解反應效率，通過本發明的回收方法能夠大大提升碳纖維的回收率以及縮短回收時間，避免碳纖維材料的浪費。

上述發明專利採用惰性氣體作為保護氣氛，微波加熱碳纖維複合材料，發生裂解反應，得到固態碳纖維回收物。雖然加熱方式不同但仍採用裂解方法回收碳纖維，仍然存在碳纖維表面易結碳以及裂解過程可能產生有害氣體等問題。

公告號為cn104262675a的發明專利中公開了一種碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，具體公開了以下內容：

本發明公開了一種碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其包括如下步驟：步驟1，將碳纖維複合材料放置於微波爐內，在保護氣氛中，對所述碳纖維複合材料進行輻照加熱處理，所述碳纖維複合材料在微波爐內發生降解反應，所述保護氣氛為惰性氣體或惰性氣體與氧氣的混合氣體，在所述混合氣體中，氧氣含量小於或等於20v％；步驟2，降解反應完成後，所得固態產物即為回收後的碳纖維。本碳纖維複合材料回收碳纖維的方法可以獲得性能均一的再生碳纖維材料，並有效的提高了碳纖維的回收率。

上述發明專利採用惰性氣體與氧氣的混合氣體作為保護氣氛，但是氧氣含量很少，所發生的降解反應依然是裂解反應，存在裂解反應的普遍缺點，即碳纖維表面易結碳以及裂解氣化物可能汙染環境等問題。

技術實現要素：

針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明提供一種低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法。本方法在低溫常壓下從廢棄碳纖維複合材料中均勻高效回收高價值碳纖維的方法，該方法使樹脂有機物在低溫下發生氧化燃燒，並且保證碳纖維的完整性。在提高碳纖維的力學性能及回收率、縮短反應時間、簡化反應流程、節約能源、保護環境的同時實現碳纖維的再生利用。本發明通過以下技術方案實現。

一種低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料放入微波加熱裝置，通入氧氣或含氧混合氣體，饋入頻率為2450±50mhz或915±50mhz的微波，直至溫度升為350～500℃，處理0.1～1.0h，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

所述氧氣的通入量為0.5～4lpm單位。

所述含氧混合氣體為氮氧混合氣或氬氧混合氣，其中氧氣佔含氧混合氣體體積的25～99%，含氧混合氣體的通入量為0.5～5lpm單位。

上述廢棄的碳纖維複合材料中碳纖維形態為連續纖維、長纖維、短纖維、粉末纖維、碳纖維織物等一種或多種。

上述廢棄的碳纖維複合材料中碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維或黏膠基碳纖維等其他碳纖維中的一種或多種。

上述廢棄的碳纖維複合材料中基體樹脂為熱固性樹脂或熱塑性樹脂中的一種或多種。

上述熱固性樹脂包括環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、乙烯基樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂、聚醯亞胺樹脂、聚氨酯樹脂、有機矽樹脂、呋喃樹脂等其他熱固性樹脂。

上述熱塑性樹脂包括聚苯硫醚、聚苯醚、聚四氟乙烯、聚醯胺、聚醚醚酮、聚碳酸酯、聚酯、尼龍、pc/abs合金、聚碸、聚甲醛、聚丙烯、熱塑性聚醯亞胺、聚乙烯、聚芳酯、液晶聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯及丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物等其他熱塑性樹脂。

上述碳纖維複合材料可以為板式結構，也可以為異形件，直接放入微波爐內，也可以分成小塊後放入微波爐。

本發明的有益效果是：

（1）通過微波對碳纖維複合材料廢棄物的選擇性加熱特性，使碳纖維樹脂基複合材料內部加熱、整體均勻加熱，從而提高了碳纖維的回收效率和效果；而且加熱快速，極大地縮短了處理時間,效率高。

（2）常壓下通入氧氣或含氧混合氣，控制一定的溫度，使樹脂發生氧化反應，碳纖維不發生反應，從而去除樹脂有機物，得到表面光滑基本無殘留樹脂的性能較好的碳纖維，操作過程簡單，回收效率高。

（3）利用氧化反應釋放的熱量進行保溫，降低能耗，節約能源。

（4）保證樹脂有機物燃燒的同時碳纖維長度直徑基本無燒損，表面光潔，無明顯缺陷，基本無樹脂殘留；回收得到的碳纖維力學性能優異，可以再次與各種基體複合成新的碳纖維增強複合材料，應用到不同領域，從而緩解了碳纖維複合材料廢棄物處理壓力，降低成本，是一種綠色環保的回收方法。

附圖說明

圖1是本發明流程示意圖；

圖2是本發明實施例3處理前碳纖維樹脂基增強複合材料照片圖；

圖3是本發明實施例3處理後得到的碳纖維照片圖；

圖4是本發明實施例3回收碳纖維的掃描電鏡圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，對本發明作進一步說明。

實施例1

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為短纖維，基體樹脂為環氧樹脂，尺寸為1.9×1.7×3cm）放入微波加熱裝置，通入氧氣（氧氣的通入量為4lpm），饋入頻率為2450±50mhz的微波，直至溫度升為450℃，低溫處理0.1h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的短碳纖維，表面光滑完整，基本無樹脂殘留。

實施例2

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為中長纖維，基體樹脂為環氧樹脂，尺寸為5×5×2cm）放入微波加熱裝置，通入氧氣（氧氣的通入量為0.5lpm），饋入頻率為2450±50mhz的微波，直至溫度升為450℃，低溫處理1/6h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的絲狀中長度的碳纖維，表面光滑完整，基本無樹脂殘留，形態和性能均一。

實施例3

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為中長纖維，基體樹脂為環氧樹脂，尺寸為15×10×2cm，照片圖如圖2所示）放入微波加熱裝置，通入氧氣（氧氣的通入量為1.5lpm），饋入頻率為915±50mhz的微波，直至溫度升為450℃，低溫處理1/3h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的絲狀長度的碳纖維，照片圖如圖3所示，從圖3中可以看出碳纖維長度基本無損壞，保持了碳纖維的完整性；碳纖維的掃描電鏡圖如圖4所示，可知，獲得的碳纖維表面光滑，基本無樹脂殘留，性能均一。

實施例4

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為中長纖維，基體樹脂為聚苯硫醚，尺寸為5×5×2cm）放入微波加熱裝置，通入含氧混合氣體（含氧混合氣體為氮氧混合氣體，其中氧氣佔含氧混合氣體體積的25%，含氧混合氣體的通入量為5lpm單位），饋入頻率為915±50mhz的微波，直至溫度升為350℃，低溫處理1.0h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的絲狀中長度的碳纖維，表面光滑完整，基本無樹脂殘留，形態和性能均一。

實施例5

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為中長纖維，基體樹脂為乙烯基樹脂，尺寸為5×5×2cm）放入微波加熱裝置，通入含氧混合氣體（含氧混合氣體為氬氧混合氣體，其中氧氣佔含氧混合氣體體積的99%，含氧混合氣體的通入量為0.5lpm單位），饋入頻率為915±50mhz的微波，直至溫度升為500℃，低溫處理0.8h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的絲狀中長度的碳纖維，表面光滑完整，基本無樹脂殘留，形態和性能均一。

實施例6

如圖1所示，該低溫微波高效處理碳纖維複合材料回收碳纖維的方法，其具體步驟如下：首先將廢棄碳纖維複合材料（碳纖維形態為中長纖維，基體樹脂為聚酯，尺寸為5×5×2cm）放入微波加熱裝置，通入含氧混合氣體（含氧混合氣體為氬氧混合氣體，其中氧氣佔含氧混合氣體體積的80%，含氧混合氣體的通入量為3lpm），饋入頻率為915±50mhz的微波，直至溫度升為420℃，低溫處理0.6h，使樹脂有機物發生氧化分解反應，然後自然降溫至溫度為200℃以下，取出固體產物即為碳纖維。

降解完成後，固態碳纖維環氧樹脂基複合材料降解為絲狀的絲狀中長度的碳纖維，表面光滑完整，基本無樹脂殘留，形態和性能均一。

以上結合附圖對本發明的具體實施方式作了詳細說明，但是本發明並不限於上述實施方式，在本領域普通技術人員所具備的知識範圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。