一种两步热处理回收碳纤维的方法与流程

本发明属于碳纤维复合材料的回收领域，尤其涉及一种两步热处理回收碳纤维的方法。

背景技术：

碳纤维增强高分子复合材料(Carbon fiber reinforced polymer composites，简称CFRP)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，被广泛应用于航空航天、汽车工业、风电产业、体育用品等行业。据预计，仅世界民用飞机市场对碳纤维的需求或将达到(2.0～3.0)×10⁴吨/年。此外，预计到2025年，全球总计将有超过8500架的商业飞机退役。在废弃的碳纤维复合材料中，热塑性树脂基碳纤维复合材料可通过制成切片再利用，而对热固性树脂回收的传统方法主要是深埋和焚烧，但热固性树脂基复合材料深埋后50～100年不能降解，对环境破坏严重；若对其进行焚烧处理则会产生大量烟尘、有害气体，污染环境。

目前回收CFRP的方法主要包括物理法、溶剂法和热解法。由于物理法需要对复合材料进行破碎，不能回收长纤维，因此该方法并不是高价值的长碳纤维复合材料的最佳回收方法。溶剂法在回收过程中会使用有机溶剂或强酸，亦或是在高温高压的条件下进行回收处理，不仅会产生环境污染，其中一些工艺还比较复杂，导致回收成本较高。热裂解法是目前唯一在商业化应用的碳纤维回收技术，但若控制不好热解法的工艺参数，则会对回收到的碳纤维的机械强度造成损害，同时，热解法受到热解炉体积限制，不能一次性处理大尺寸的碳纤维复合材。因此，将CFRP在相对合理的工艺下进行降解，回收到机械强度损失小的长碳纤维，不但可以缓解环境压力，减少行业污染，而且可以降低产品成本，具有重要的经济意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种两步热处理回收碳纤维的方法，其包括预处理和精处理两个过程；所述预处理过程为：将碳纤维复合材料(即背景技术提到的CFRP)加热至450℃～600℃，并保持3～4小时，然后撤去热源，冷却；所述精处理过程为：将经过所述预处理的碳纤维复合材料加热(优选放入炉膛内加热)至500℃～550℃，并保持2～3小时，然后撤去热源，冷却，即完成整个热处理回收碳纤维的过程，最终得到的固态产物即为回收后的碳纤维。

本发明对碳纤维复合材料先进行预处理，再进行精处理，通过对工艺的严格控制，能够得到干净的、受损程度小的、长而有序的高附加值的碳纤维。而且所述碳纤维增强复合材料的尺寸和形状不受限制，能连续进行碳纤维的回收，因而提高了回收效率。

其中，所述预处理过程中的冷却为将所述碳纤维复合材料冷却至30～60℃，优选所述冷却过程为自然降温。

其中，所述预处理过程中加热时的升温速率为10～30℃/min；和/或，所述预处理过程中的加热方式为太阳光聚光加热、电加热、红外线辐射加热或介质换热中的任一种；和/或，所述预处理过程中的加热气氛为有氧气氛或无氧气氛。

本发明提供了一种所述预处理过程的优选方案，即：在常温常压空气的加热气氛下，采用太阳光聚光加热的加热方式，以25℃/min的升温速率，将碳纤维复合材料加热至500℃，并保持3.5小时，然后自然冷却至50℃。

其中，所述精处理过程中的冷却为将所述碳纤维复合材料冷却至室温，优选所述冷却过程为自然降温。

其中，所述精处理过程中加热时的升温速率为20～30℃/min；和/或，所述精处理过程中的加热方式为太阳光聚光加热、电加热、熔融盐加热或导热油加热中的任一种；和/或，所述精处理过程中的加热气氛为有氧气氛或无氧气氛。

本发明提供了一种所述精处理过程的优选方案，即：在氦气的加热气氛下，采用电加热的加热方式，以25℃/min的升温速率，将经所述预处理后的碳纤维复合材料加热至550℃，并保持2.5小时，然后冷却至室温，即完成整个回收碳纤维的过程。

其中，所述精处理过程中，将经过所述预处理的碳纤维复合材料在进行所述加热前先进行机械切割。

其中，所述碳纤维复合材料的基体为热固性树脂；

优选的，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、脲醛树脂或呋喃树脂中的任一种。

其中，所述碳纤维复合材料的形态为连续纤维、长纤维、短纤维、粉末纤维或碳纤维织物中的一种或多种。

本发明的上述技术方案具有以下有益效果：本发明对碳纤维复合材料先进行预处理，再进行精处理，通过对工艺的严格控制，能够得到干净的、受损程度小的、长而有序的高附加值的碳纤维。所述碳纤维增强复合材料的尺寸和形状不受限制，能连续进行碳纤维的回收，因而提高了回收效率。本发明的预处理和精处理过程均可选采用太阳光聚光加热，使用太阳光聚光加热系统对CFRP废弃物进行预处理，不受处理装置容积的限制，可以处理大尺寸的碳纤维复合材料，而且节约了资源，节省了回收成本。

附图说明

图1为本发明所用工艺的温度随时间的变化关系图；

图2为本发明实施例1处理前后的碳纤维复合材料表面形态图；

图3为本发明实施例2处理前后的碳纤维复合材料表面形态图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明实施例的工艺过程具体可参见附图1。本发明实施例所述的碳纤维增强环氧树脂基复合材料均来源于退役飞机。

实施例1

本实施例提供了一种两步热处理回收碳纤维的方法，即：

选取碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为回收材料，将碳纤维增强环氧树脂复合材料以太阳光聚光加热的形式进行预处理。预处理气氛为常温常压的空气，升温速率为15℃/min，加热至450℃，并保温3小时，然后自然冷却到30℃。

将预处理后的碳纤维复合材料直接放入用于精处理的炉膛内，炉膛以电加热为热源，通入氦气，并以20℃/min的升温速率加热至500℃，保温2小时后，待其冷却至室温，即完成整个回收过程，最终得到的固态产物即为碳纤维。

参见附图2，本实施例回收得到的碳纤维较之右侧原纤维板相比。热处理后的碳纤维出现则分层现象，可明显看到编制纹理，且能轻易进行剥离。碳纤维表面出现的黑色颗粒可能为热处理过程中树脂的碳化。证明在该热处理条件下树脂得到处理，保证碳纤维得到高效回收。

实施例2

本实施例提供了一种两步热处理回收碳纤维的方法，即：

选取碳纤维增强环氧树脂基复合材料作为回收材料，将碳纤维增强环氧树脂复合材料以太阳光聚光加热的形式进行预处理。预处理气氛为常温常压的空气，升温速率为20℃/min，加热至500℃，并保温3.5小时，然后自然冷却到40℃。

将预处理后的碳纤维复合材料直接放入用于精处理的炉膛内，炉膛以电加热为热源，通入氦气，并以25℃/min的升温速率加热至550℃，保温2.5小时后，待其冷却至室温，即完成整个回收过程。

参见附图3，本实施例回收得到的碳纤维较之右侧原纤维板相比。热处理后的碳纤维完全散开，不仅完全分层看到编制纹理，且能轻易从中间处理后的样品中抽取纤维原丝。碳纤维表面出现的微量黑色颗粒为热处理过程中树脂的碳化。证明在该工艺下树脂得到完全热解，较之传统回收方式保证碳纤维得到清洁高效回收。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。