[發明專利]一種基于CFRP材料的電促進異相催化回收裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 201811333171.0
• 申請日: 2018-11-09
• 公開（公告）號: CN109518264B
• 公開（公告）日: 2020-03-10
• 發明（設計）人: 朱繼華
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: C25F1/04
• 分類號: C25F1/04
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 王永文;劉文求

本發明公開一種基于CFRP材料的電促進異相催化回收裝置及其控制方法，其中，所述裝置包括外接電源，裝有電解液的電解槽，一端插入到所述電解液中的CFRP樣品以及金屬片，所述電解液中包含氯離子和磷鎢酸；所述CFRP樣品的另一端與外接電源的正極連接，所述金屬片的另一端與外接電源的負極連接。本發明提供的異相催化回收裝置結構簡單，成本低廉，且通過優化電流參數和催化劑濃度能夠在較短的時間內從CFRP材料中回收到性能較佳的碳纖維絲。

技術領域

本發明涉及CFRP材料回收領域，尤其涉及一種基于CFRP材料的電促進異相催化回收裝置及其控制方法。

背景技術

碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量95％以上的微晶石墨纖維材料。作為一種新興的高性能纖維材料，碳纖維具有抗拉強度大(2到7GPa)、模量高(200到700GPa)、密度低(1.5～2.0g/cm²)、線膨脹系數小、可導電且電磁屏蔽性優異等物理優點，以及抗酸堿和有機溶劑腐蝕的化學優點。除此之外，碳纖維柔軟可塑性強，耐超高溫，耐疲勞性等優點，使其在新材料領域獨樹一幟。

為了利用碳纖維絲體輕質高強的特性，碳纖維常與陶瓷、樹脂、金屬等結合成碳纖維增強復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，以下簡稱CFRP)來補足其余材料在力學性能和抗疲勞性能上的缺陷。最初CFRP用于國防軍事領域，例如戰機機身的減重等；隨著科技的發展，CFRP韌性耐腐蝕性強以及質量輕等許多優異性能被挖掘并開發，在航天航空、汽車材料、土木建筑、體育用品等工業和生產領域備受青睞。隨著CFRP材料的應用日益增加，以及社會各界環保意識的增強、經濟的可持續發展都要求對CFRP廢料進行回收。

對于碳纖維增強樹脂基復合材料，高價值的碳纖維是回收的主要對象。現有的能回收到碳纖維原料的方法主要分為物理回收和化學回收兩大范疇。

物理回收主要依靠機械進行回收：通過分解、破碎、磨碎或其他類似機械手段減小復合材料尺寸來實現廢料回收。機械法成本低、方法簡單，但這種方法往往需要將原料的尺寸粉碎至5-10mm甚至更短，嚴重縮短碳纖維的長度，回收到的纖維性能嚴重下降，再利用價值降大大降低，只能用于填料或樹脂增強體等低價值領域。

而化學回收主要分為熱處理和化學溶劑法兩大回收方向：其中，熱處理是在利用高溫將廢棄物變成一種或多種可回收物質的方法，是目前世界上唯一實現商業化運營的CFRP回收方法，主要包括真空裂解法、微波熱解法、流化床法和有氧熱解法等。真空裂解法一般需要500℃左右的真空條件，但所得碳纖維表面會有樹脂殘留。Edward Lester等的微波熱解法則需要嚴格的氮氣條件，在高溫下8s內完成反應，猛烈的反應條件會損傷回收到的碳纖維，使其力學性能下降。流化床法的優點在于能獲得表面干凈的碳纖維，而且適用范圍廣，能夠處理被污染的廢料，但同樣會削減CFRP的尺寸，并嚴重損失回收碳纖維的強度(25％-50％)，并且不能回收樹脂分解產物。有氧熱解法要結合氧氣和適當高溫的控制來達到有氧高效熱解，而且不需要用到化學試劑，但對實驗條件的控制非常苛刻，稍微控制不當會引起碳纖維絲的氧化，形成積炭殘炭，影響表面和力學性能，還可能排放出有毒的氣體。

化學溶劑法則是利用溶劑將樹脂進行分解，將樹脂基體和增強體分離，在CFRP固化劑的化學成分和性質上下功夫，旨在有效率的分解環氧樹脂。根據反應條件和所用試劑不同可以分為超/亞臨界流體分解法、常壓溶劑法等。超臨界流體具有液體和氣體綜合特點，具有液體的密度和溶解性以及氣體的粘度和擴散性，亞臨界流體也具有超強的擴散性和溶解度，這兩種流體可以直接溶解樹脂固化材料，對碳纖維的性能影響較小，但依然會部分氧化碳纖維。常壓溶劑法是在常壓條件下，利用化學溶劑將CFRP中的樹脂基體分解的常壓化學溶劑法，有非常多的案例，例如Maekawa等以K₃PO₄為催化劑，苯甲醇為溶劑在200℃下反應10個小時分解網球拍中環氧樹脂同時回收碳纖維；Yang等采用聚乙二醇(PEG)/NaOH體系在180℃下處理50min即可溶解酸酐固化的CFRP中的環氧樹脂等。