一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法及其应用，所述方法包括在氧气的体积百分含量为2～3％的气氛中，400～700℃下热处理碳纤维复合材料30～90min，完成从碳纤维复合材料中回收碳纤维；所述方法通过控制热处理过程中氧气的体积百分含量、热处理的温度以及热处理的时间，使回收得到的碳纤维纯度较高且回收率较高；且所述方法整个回收过程操作简单，工艺时间短，没有使用任何化学试剂，绿色环保，在能够实现大规模应用的同时非常有利于碳纤维工业化的可持续发展。碳纤维工业化的可持续发展。

【技术实现步骤摘要】
一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法及其应用


[0001]本专利技术属于材料回收
，具体涉及一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法及其应用。

技术介绍

[0002]热固性树脂基复合材料具有密度小、比强度和比模量高，耐疲劳强度高、破损安全特性好等特点，应用非常广泛。碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP复合材料)是以碳纤维或碳纤维织物作为增强体，以环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂、聚酰亚胺树脂等为基体形成的复合材料。碳纤维增强热固性环氧树脂基复合材料是碳纤维增强复合材料的一个重要分支，除了具备热固性树脂基复合材料密度小，比强度、比模量高的特点，还具备热膨胀系数小、抗蠕变性能优异、耐腐蚀、耐低温及材料性能可设计等优点，可以作为结构承载材料和功能材料使用。随着经济和社会的发展，CFRP复合材料在航空航天、汽车工业、轨道交通、新能源、体育用品等高新技术产业领域的应用越来越多。
[0003]随着复合材料需求的快速增加，CFRP复合材料的生产技术也不断优化，采用各种自动化生产技术进一步降低生产成本，提高生产效率，但是CFRP复合材料的大量生产同时也会产生大量的边角料，且CFRP复合材料的使用寿命约20
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30年，随着时间的推移，CFRP复合材料广泛应用的各类产品会逐渐报废。
[0004]碳纤维增强热固性环氧树脂基(CF/EP)复合材料固化后形成交联网状结构，不溶不熔，也不易被分解，因此废弃CF/EP复合材料的回收和再利用非常困难，且碳纤维价格昂贵，平均生产1吨碳纤维需要耗资1万英镑以上，所以CF/EP复合材料的废弃既污染环境又增加经济成本，因此废弃CF/EP复合材料的回收和再利用具有极其重要的生态和经济价值。
[0005]现有的废弃CF/EP复合材料的回收处理方法主要有传统填埋法、机械粉碎法、高温热分解法、溶剂回收法、微波热分解法、电化学反应法和催化裂解法等。传统填埋法是把废弃CF/EP复合材料直接埋入地下，这种方法不仅严重污染环境，而且没有实现碳纤维的回收再利用，对经济和社会效益造成严重危害，因此这种方法逐渐被抛弃。机械粉碎法是将废弃的CF/EP复合材料粉碎作为新材料的原材料使用，这种方法破坏了原来复合材料的各组分性能，无法回收碳纤维，实现重复利用。溶剂回收法是利用各种化学溶剂将基体树脂溶解，从而回收其中的碳纤维。CN1974641公开了一种分解热固性环氧树脂及其复合材料的方法，解决了热固性环氧树脂及其复合材料难以回收再利用的问题。热固性环氧树脂分解包括如下步骤：将热固性环氧树脂与分解液加入反应釜；分解，即完成热固性环氧树脂分解。热固性环氧树脂复合材料分解：将热固性环氧树脂复合材料与分解液加入反应釜；分解；固液分离；固相清洗，烘干，即得到分解的热固性环氧树脂和增强纤维。该专利技术中热固性环氧树脂的分解率高为90％～100％；环氧树脂分解产物经过分离后可以作为化工原料再次使用。本专利技术热固性环氧树脂复合材料中增强纤维100％回收，表面无缺陷、不残留分解的热固性环氧树脂和分解液，可以再利用。这种方法能够有效回收纯净的碳纤维，但是需要用到硝酸等强氧化性溶剂并需要加热到一定的温度，成本非常高，不适合工业化应用。电化学反应法是
将待回收处理的碳纤维复合材料作为阳极，导电材料作为阴极，形成电化学反应体系，碳纤维复合材料发生化学反应，回收碳纤维，这种方法虽然简单易行，污染小，但是由于要形成电化学反应体系，成本较高，不易实现工业化生产。催化裂解方法获得的回收碳纤维，回收率高，树脂分解效率高，但是需要使用多种催化剂、氧化剂、有机溶剂等，操作复杂，危害性较大，成本高，难以实现大规模应用。
[0006]现有技术最具有工业化应用的是高温热分解法，高温热分解法包括惰性气体裂解法和空气热分解法，其中惰性气体裂解法是将废弃CF/EP复合材料置于氮气、氦气等惰性气氛中热分解的方法；CN103665430A一种废弃碳纤维复合材料中树脂和碳纤维的热分解分离方法，该方法的具体步骤是：(1)将废弃碳纤维复合材料放入热解装置的炉膛内，关严炉门后先通入氧气含量为3～20vol％的氮气，将炉膛内空气完全排出形成低氧环境；(2)对炉膛内的物料加热至温度到400～650℃后，保持一定时间并停炉，使炉膛内的物料自然降温，树脂在炉膛内发生热分解反应；(3)将所述的降温后的炉膛打开取出产物，由于在上述反应条件下，树脂已经完全分解、并且气化排出炉膛，产物就剩下表面完全干净的碳纤维，将此碳纤维收集称量，并计算回收率。该专利技术所得的碳纤维回收率高，性能损伤小，操作工艺简单，适合工业化生产。这种方法能够很好的保护碳纤维的表面不受损伤，但是工艺时间长，回收碳纤维表面易残留树脂分解的结碳，影响回收碳纤维的再利用。
[0007]因此，开发一种回收率高、操作工艺简单且可以得到纯度较高的碳纤维的回收方法，是本领域技术人员目前急需解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法及其应用，所述方法包括：在氧气的体积百分含量为2～3％的气氛中，400～700℃下热处理碳纤维复合材料30～90min，完成所述碳纤维的回收；所述方法回收过程中不使用化学试剂，绿色环保，从而可以实现复合材料的可持续发展；且整个回收操作工艺简单、回收时间短，非常适合工业化生产；最重要的是采用所述方法回收得到的碳纤维回收率高，性能保持率高，有利于回收碳纤维的再次利用。
[0009]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法，所述方法包括：在氧气的体积百分含量为2～3％(例如2.1％、2.2％、2.3％、2.4％、2.5％、2.6％、2.7％、2.8％或2.9％等)的气氛中，400～700℃(例如430℃、460℃、490℃、530℃、560℃、590℃、630℃、660℃或690℃等)下热处理碳纤维复合材料30～90min(例如35min、40min、45min、50min、55min、60min、65min、70min、75min、80min或85min等)，完成所述碳纤维的回收。
[0011]本专利技术提供的从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法属于高温裂解法；所述方法首先需要控制氧气的体积百分含量为2～3％，一方面，如果氧气的含量较高，则会导致碳纤维复合材料中的碳纤维表面发生氧化，进而导致碳纤维的回收率较低；另一方面，如果其中的氧气体积百分含量较低，则会导致回收过程加长，浪费资源，提高成本。
[0012]其次，本专利技术提供的从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法操作十分简单，控制氧气的体积百分含量为2～3％条件下，在400～700℃下高温热处理碳纤维复合材料30～
90min，使得碳纤维复合材料中的基体材料直接受热分解，然后可以直接得到碳纤维，整个回收过程操作简单，工艺时间短，基体树脂分解完全，表面没有积碳残留，得到的碳纤维回收率较高，能够实现大规模应用，非常利于工业化生产；且整个过程没有不使用化学试剂，绿色环保，从而实现复本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种从碳纤维复合材料中回收碳纤维的方法，其特征在于，所述方法包括：在氧气的体积百分含量为2～3％的气氛中，400～700℃下热处理碳纤维复合材料30～90min，完成所述碳纤维的回收。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料中的碳纤维包括聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维或黏胶基碳纤维中的任意一种或至少两种的组合。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料包括碳纤维增强树脂基复合材料；优选地，所述碳纤维增强树脂基复合材料中的树脂包括环氧树脂、双马树脂、氰酸酯树脂或聚酰亚胺树脂中的任意一种或至少两种的组合。4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述碳纤维复合材料包括预浸料铺贴过程中产生的边角料和/或废弃...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋清华，付善龙，张代军，刘瑞丽，陈吉平，郑义珠，袁宇慧，刘奎，张冬梅，刘卫平，马璟瑶，
申请(专利权)人：上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：