作为一种性能十分优异的复合材料增强纤维,碳纤维越来越多的应用于航空航天、风机叶片、汽车、海洋工程、体育用品等领域。
而随着复合材料行业的蓬勃发展,其废弃物的回收问题已日渐突出、不容忽视,如何对废弃物进行有效的回收与循环利用是复材行业实现未来更大发展必须重视的重要前提。碳纤维复合材料废弃物的回收价值很高,因此,从法律法规、能源效率、市场因素各角度考虑,其回收都是非常重要的。
碳纤维回收路线图
资料来源:ipi官网
碳纤维复合材料(CFRP)的回收十分困难,主要原因如下:
(1)碳纤维复合材料具有高的比强度和比模量;
(2)如果CFRP基体为热固性树脂,其固有的交联性会导致复合材料不能重新熔融塑化;
(3)CFRP是多相复合材料,其不同相的理化性质使回收工作更加困难。
目前对纤维增强复合材料的回收产业中,纤维增强热固性基体复合材料的回收方法最为成熟,主要分为机械回收法、化学回收法和能量回收。
碳纤维回收技术比较
资料来源:网络公开资料整理
一些发达国家如德国、英国、美国、日本等等,非常重视碳纤维复合材料回收技术的开发,纷纷组建了专门的研究机构解决这一问题,并进行了一些工业化尝试,取得了不少的成果。
碳纤维回收方法发展现状
资料来源:网络公开资料整理
超临界流体法,是指利用超临界流体(温度及压力均处于临界点以上的物质)的兼具气体和液体的可压缩、可流动特性,低粘度高扩散性优点,选择合适的溶剂来断开树脂的化学键,实现回收碳纤维的目的。
超临界CO2反应机理模型示意图
图片来源:CNKI
在整个反应过程中,反应树脂溶解是一个重要的非均衡过程,包括传质、扩散等步骤。
超临界CO2流体处理CFRP层合板的工艺流程
资料来源:CNKI
传质过程示意图
图片来源:CNKI
热解回收技术是在一定的温度条件下,将碳纤维复合材料中的基体树脂分解,进而实现纤维或其他无机材料回收的方法,热解回收方法包括高湿热解法、流化床热解法以及微波热解法。
热解工艺示意图
资料来源:CNKI
高温热解法是通过空气或惰性气体热量将复合材料的树脂基体分解为氢气、甲烷、碳氢化合物等气体以及低分子量的有机物。
高温热解回收法工艺流程
资料来源:CNKI
热气体裂解是应用最广,但回收的碳纤维力学性能损失较大,仅为原始碳纤维强度的50~70%,且基体树脂的回收率低,降解产物中气体占50~60%,焦油占11~23%,可有效利用的烃油不超过30%。
微波热分解技术是指材料在微波腔内受微波热辐射作用发生降解的处理方法,应用到碳纤维回收通过碳纤维吸收微波能量从内部加热树脂。
低温解离工艺条件图
资料来源:CNKI
环氧树脂、不饱和聚酯树脂基复合材料,可用常压解离法进行回收再利用,在磷酸盐催化剂 作用下,常压200℃左右就可解聚熔化,树脂和纤维分离,回收的纤维作为复合材料填料再利用时,尽管性能虽有所降低, 但仍可满足使用要求。
流化床工艺是指在流化床反应器内用空气作流化气体,在一定的温度下,将纤维与基体分离的方法。
流化床热分解法循环系统
资料来源:Elsevier
碳纤维及其复合材料回收技术优缺点对比
碳纤维增强复合材料(CFRP)在国民经济中正发挥着越来越重要的作用,正逐渐从原来的简单制品的替代,逐步发展成为众多高新行业必不可少的新型材料。同时,这也使世界各国都面临着CFRP废弃物回收再利用技术领域的机遇和挑战,因此要想占据高新制造技术行业的制高点,就必须高度重视CFRP的回收与再利用,研究更加节能环保的方法,使CFRP更好的造福人类。
来源:新材料在线
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