从含碳纤维的塑料中回收碳纤维的热解系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及热解装置和方法，用于从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料（CFP或CFP材料）中，优选是从含碳纤维和/或碳纤维增强复合物（复合材料）中回收（再利用）碳纤维。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】从含碳纤维的塑料中回收碳纤维的热解系统及方法
本专利技术涉及从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP)中，优选从含碳纤维的或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的
特别的，本专利技术涉及用于从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP或CFP材料)中，优选从含碳纤维的和/或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的热解装置，以及其用于从含碳纤维的塑料中回收(再利用)碳纤维的用途。此外，本专利技术涉及用于从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP)中，优选从含碳纤维的或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的方法，以及通过该方法获得的回收碳纤维及其用途。本专利技术还涉及塑料、建材或含水泥系统，其包括通过本专利技术的方法获得的回收碳纤维，或其使用通过本专利技术的方法获得的回收碳纤维而制备。最后，本专利技术涉及成形体(例如部件)、模具和片状材料(如非织造物)，特别是复合材料或化合物的形式，其包括通过本专利技术的方法获得的回收碳纤维，或其使用通过本专利技术的方法获得的回收碳纤维而制备。
技术介绍
在一般情况下，碳纤维增强塑料(也称为CFP)可被称为纤维塑料复合物，其中多个碳纤维优选嵌入在多个层中，作为在基体例如塑料中的增强材料。作为聚合物基体，能同时使用热固性材料如环氧树脂、丙烯酸酯和聚氨酯，以及热塑性材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸酯(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚氯乙烯(PVC)。然而，也能把碳纤维嵌入到由陶瓷组成的基体中(也称为陶瓷纤维复合物)，以获得非常热稳定的组件，例如制动盘。碳纤维增强塑料(CFP)具有高的强度和刚度以及低重量，且优选地用于需要高重量比的强度和刚度的领域中。例如，CFP用在航空航天工业、风电行业、汽车制造或运动器材(例如自行车车架、速度滑冰鞋、网球拍，体育箭头和钓鱼竿)中。在建筑和建造中，碳纤维增强塑料(CFP)可以薄片的形式粘接在组件的表面上，以便增强结构。在其它纤维基体复合物的情况下，由碳纤维增强塑料(CFP)生产的材料或组件在纤维方向上的强度和刚度通常显著高于垂直于纤维方向的强度和刚度。因此，例如，垂直于所述碳纤维的强度可低于使用的基体材料的强度。为了确保由CFP组成的材料或组件在空间所有方向上的均匀强度和刚度，单个纤维层布置在各个方向上。例如，在高性能结构组件的情况下，纤维方向可通过计算机的计算，例如经典层板理论来确定，以达到规定的强度和刚度。在CFP生产中使用的原始碳纤维(也称为原纤维)在工业上主要由含碳原料，特别是聚丙烯腈(PAN)，通过在空气中的稳定化反应，随后在惰性气氛中热解并随后石墨化而制造。在制造过程中，原始碳纤维的刚度和强度可有针对性地通过预拉伸还有碳化和石墨化的温度来控制，使得各种纤维类型是市售的。由于其价格低廉的制造，HT纤维(高拉伸纤维)和IM纤维(中间模量纤维)主要用作原始碳纤维。为了提高原始碳纤维在石墨化后的粘合，原始碳纤维表面的氧化可通过电化学处理来进行。在一般情况下，原始碳纤维随后提供有胶料例如环氧树脂，并收集在一起以形成粗纱。这些粗纱在最后的步骤中卷绕到常规纺织锭子上。取决于所使用的原始碳纤维的长度，可使用各种方法来制造碳纤维增强塑料(CFP)。具有长的原始碳纤维的CFP部分一般可通过树脂注塑工艺(也称为树脂传递模塑(RTM))来制造。在树脂注塑工艺的第一步骤中，制造预成型件，其由一层或多层织造原始碳纤维构成，以确保空间中所有方向上的恒定强度和刚度。在第二步骤中，这些预成型件在封闭的铸塑模具中与由塑料和任选的硬化剂组成的液化基体混合。在所述基体固化且去除多余的边缘材料之后，获得相应的CFP组件。具有短的原始碳纤维，特别是短切原始碳纤维的碳纤维增强塑料(CFP)的制造通常是通过注射成型来进行的。为了这个目的，短切原始碳纤维分批与由一种或多种塑料组成的液化基体混合、挤出并随后通过注射成型来处理，以产生CFP组件。然而，相比于使用由轻金属，例如铝、镁和钛组成的类似组件，使用碳纤维增强塑料(CFP)导致最终产品相当高的成本。特别的，这涉及利用含碳原料，特别是聚丙烯腈(PAN)的原始碳纤维的复杂和昂贵制造。此外，用于制造CFP组件的原始碳纤维的世界范围内的消耗增加很大，由于对原始碳纤维的全球高需求，可以预期使用碳纤维增强塑料的成本没有显著减少。尽管对原始碳纤维有高需求，但未处理而已预浸渍有塑料的大量原始碳纤维(被称为预浸浸料或预浸渍纤维)，其中塑料已经固化或其已超过存储日期，被处理为含CFP的废料。此外，大量需要处理的含CFP的废塑料在飞机部件和用于风力涡轮机的部件的制造中获得，并还由于处理造型模具、生产废料、原型、不正确的批次以及“报废”组件而获得。然而，含CFP的废塑料在填埋场的处理是不经济的，因为其中存在有价值的碳纤维。此外，由于其化学惰性，一般可以预期该含CFP的废塑料在很长一段时间仍然保持原状，不能在填埋场降解。此外，含CFP的废塑料的无限制处置是不容易做到的，甚至是禁止的，因为在许多欧洲国家有法律要求。因此对用于从含CFP的废料中回收或再利用碳纤维的廉价而有效的热解装置和方法有非常大的需求，特别是鉴于对用于制造CFP组件的碳纤维的全球需求。在现有技术中，碳纤维从含CFP的材料(CFP材料)通过热解来回收或再利用。对于本专利技术的目的，特别的，热解是有机化合物的热分解，其中大的有机分子通过例如在300～1000℃的范围内的高温被分裂成更小的有机分子。在一般情况下，热解过程中不引入氧气。因此，迄今为止还需要使用密封和复杂的热解装置以及复杂的过程，以在去除聚合物基体的过程中确保惰性气氛或使用减压。然而，热解过程有时也在含氧气氛中操作，特别是在控制条件下。这样的热解装置在文献EP0636428A1中有描述。在那里，保护气体炉用于进行热解，含CFP的材料在保护气体炉中在保护气体气氛下热解。然而，热解进行很长一段时间，其结果是该回收是不经济的且不适合于工业规模。此外，为了获得含碳的成形体，设置了具有进一步的热解步骤的再生材料的复杂的后处理。此外，在使用带式炉的已知热解装置中以及在其中进行的用于从CFP材料中回收碳纤维的过程中，CFP材料不能循环。因此，CFP材料没有混合，并且相应地存在于传送带上的CFP材料的所有区域也没有均匀加热。其结果是在回收的碳纤维表面上有相当大的热解和树脂残渣，这可对掺入到聚合物基体中有不利影响。例如，这样的热解装置在文献DE102008002846B4和等效同族专利EP2282879A1中有描述。聚合物基体的热解在包括带式炉的热解装置中进行，首先含CFP的废料必须要预分类并随后粉碎成小尺寸。此外，有必要进行回收碳纤维的后处理，以避免回收碳纤维的缠结。另外，文档WO2010/075952A1描述了一种热解装置，其包括带式炉或旋转管式炉形式的处理腔。该处理腔具有热空气入口和电阻加热元件形式的加热源以及微波辐射源，微波辐射源是为什么最终需要一个复杂的装置来进行所述回收的原因。最后，文献EP2152487B1描述了具有带式炉本文档来自技高网...

【技术保护点】
从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料（CFP或CFP材料）中，优选是从含碳纤维和/或碳纤维增强复合物（复合材料）中回收（再利用）碳纤维的热解装置，具有细长的热解炉(1)，用于CFP材料(2)的连续热解，其在运行期间连续操作，具有输入站(3)，用于在热解炉(1)的一端将待处理的CFP材料(2)引入到热解炉(1)中，具有输出站(6)，用于在热解炉(1)的另一端将回收的碳纤维材料(7)从热解炉(1)中排出，具有导气管装置(8)，用于在热解炉(1)中产生的热解气体，以及具有控制装置(10)，特别用于在热解炉(1)中调节气体的至少个别成分，特别用于在热解炉(1)中调节气体中的氧气比例（氧含量），其中，所述热解炉(1)是间接加热旋转管式炉，其具有至少下列组成部分：细长的旋转管(11)，其形成用于待处理的CFP材料(2)的容纳空间并连接到输入站(3)与输出站(6)，该旋转管(11)在其圆柱壁上设置有出口开口(12)，用于排出在热解过程中在其长度的至少一部分上形成的热解气体，以及壳体(13)，其与外部绝缘并且至少部分地包围该旋转管(11)，并具有用于输入站(3)且任选地还用于输出站(6)的开口，并具有特别是用于热解气体(9)的排放管线(14)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.28 EP 13001625.6;2013.04.16 EP 13001994.61.从含碳纤维的塑料中回收碳纤维的热解装置，其中所述热解装置包括：细长的热解炉，用于CFP材料的连续热解，其在运行期间连续操作，输入站，用于在热解炉的一端将待处理的CFP材料引入到热解炉中，输出站，用于在热解炉的另一端将回收的碳纤维材料从热解炉中排出，导气管装置，用于在热解炉中产生的热解气体，以及控制装置，用于在热解炉中调节气体的至少个别成分，其中，所述热解炉是间接加热旋转管式炉，其具有至少下列组成部分：细长的旋转管，其形成用于待处理的CFP材料的容纳空间并连接到输入站与输出站，该旋转管在其圆柱壁上设置有出口开口，用于排出在热解过程中在其长度的至少一部分上形成的热解气体，以及壳体，其与外部绝缘并且至少部分地包围该旋转管，并具有用于输入站且任选地还用于输出站的开口，并具有用于热解气体的排放管线，其中具有不同或可分别调节的气体温度的多个部分沿旋转管的长度设置在壳体中；其中旋转管中的出口开口至少设置在具有最高气体温度的部分中；其中所述热解炉具有不同部分，即至少一个加热区、第一热解区、第二热解区和冷却区；旋转管的不同部分中的热解炉内的气体组成和温度可分别调节，即在第一热解区中具有限定的氧气比例和限定的温度，并且在第二热解区中具有限定的氧气比例和限定的温度；并且其中，热解装置另外具有用于粉碎待处理的CFP材料的粉碎装置，该粉碎装置设置在输入站之前或上游。2.如权利要求1所述的热解装置，其中旋转管设置为从输入站向下倾斜到输出站，并且该旋转管在其内部设置有混合元件。3.如权利要求1或2所述的热解装置，其中热解装置另外具有设置在输出站之后的后处理装置，用于后处理从CFP材料获得的回收碳纤维。4.用于从含碳纤维的塑料、碳纤维增强塑料、含碳纤维的复合物和碳纤维增强复合物中回收碳纤维的方法，其中该方法包括利用如权利要求1所述的热解装置。5.从含碳纤维的塑料中回收碳纤维的方法，其中该方法包括下列步骤：基于在聚合物基体中包含碳纤维的含碳纤维塑料的对象在氧气的存在下进行多级热解，聚合物基体的聚合物在热解过程中被...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克·格尔，
申请(专利权)人：ELG碳纤维国际有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE