碳纤维增强树脂复合材料废弃物回收技术研究现状
发布时间：2021-12-10 08:21
随着碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）市场需求量的大幅增加,大量CFRP废弃物的回收再利用问题严重制约了碳纤维产业的可持续发展,因此,发展切实可行的CFRP废弃物回收利用方法至关重要。简述了CFRP的发展现状以及大量CFRP废弃物所带来的严重环境问题和资源浪费,介绍了CFRP废弃物的各种回收技术,包括机械回收法、高温热解法、流化床热分解法、溶剂回收法等,总结了不同回收技术的回收原理、工艺流程、研究现状以及各自优缺点,并对CFRP回收再利用的未来发展方向进行了展望。
【文章来源】：工程塑料应用. 2020,48(08)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
机械法回收CFRP废弃物流程图
高温热解法是一种在高温条件下将CFRP中的树脂基体分解为H2、甲烷、碳氢化物及其它小分子化合物等,从而实现碳纤维回收利用的回收方法[11–13],流程如图2所示。王凤奎等[11]发明了一种玻璃钢高温热解回收CFRP的装置与工艺,该高温热解回收装置包括加热装置、反应釜和油气分离装置。他们将CFRP置于300～500℃温度范围内的无氧条件下进行降解回收,产生油气混合物,然后经油气分离装置分离,得到燃烧残渣和热解油。燃烧残渣可以作为水泥原料,而热解油可以作为燃料使用。K.Ushikoshi等[12]系统研究了CFRP在不同温度下惰性气体中的高温裂解过程。研究发现,在600℃温度条件下,回收得到的碳纤维表面有明显的氧化,拉伸强度损失约30%。L.O.Meyer等[13]研究发现在无氧高温热解过程中,树脂基体的降解率只和温度相关,而在空气氛围下,热解温度和时间均对树脂基体的降解率产生影响。高温热解法比较适用于大批量回收处理,虽然回收纤维性能略有下降,但是还在可接受范围内,因此是目前唯一已实现产业化回收处理的方法。例如:日本已在福冈建立了一条年回收处理60 t CFRP废料的生产线。英国Milled Carbon Fiber公司设计了一套37 m的热分解设备,可年回收处理2?000 t CFRP废弃物,其中年回收碳纤维1?200 t。美国ATI公司采用真空高温热解和催化裂解相结合的方法回收CFRP,在500℃条件下,每小时可回收处理23 kg废料,树脂基体的降解率达到99%,而纤维力学性能损伤仅为5%。
流化床工艺是指在流化床反应器内采用高温空气流对CFRP进行高温热解的分离方法。流化床工艺是由英国诺丁汉大学开发,工艺流程如图3所示。首先,将块状或片状的CFRP废弃物加入到流化床反应器中,利用热空气作为流化气体,在高温条件下,CFRP废弃物反应一定时间后,其中的树脂基体将发生氧化分解(分解温度取决于CFRP的种类,通常在450～550℃),致使碳纤维与树脂基体分离并通过气流送至碳纤维储蓄罐,得到回收的碳纤维。流化床热解方法中,流化温度、流化速度、流化时间对复合材料中树脂基体降解率及碳纤维性能影响较大[14–16]。例如,H.L.Yip等[16]在温度450℃、流化速度1 m/s、流化床上砂粒尺寸0.85 mm条件下对CFRP废弃物进行流化床热解,获得的碳纤维长度为5.9～9.5 mm。然而,测试表明碳纤维拉伸强度仅为原纤维的75%,降低比较明显,回收后的碳纤维只能降级使用。流化床热解法适合用于回收含有其它混合物或污染物的CFRP废弃物,降解回收CFRP废弃物后可以得到较为纯净的回收碳纤维。然而,回收过程中由于碳纤维在高温环境下与沙粒及旋风分离器内壁剧烈摩擦,碳纤维表面损伤严重,导致纤维性能大幅下降,回收产物的经济价值下降,严重制约了这种方法的大规模使用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界水/正丁醇混合流体对CF/EP复合材料的降解作用[J]. 黄海鸿,张保玉,成焕波,刘威豪. 材料科学与工程学报. 2019(02)
[2]压力法回收废旧碳纤维/环氧树脂复合材料[J]. 邹镇岳,秦岩,李洋,陈林锴,许亚丰. 热固性树脂. 2015(03)
[3]氯化锌乙醇溶液回收炭纤维/环氧树脂复合材料[J]. 刘影,邓天昇,吕春祥,蔡榕,侯相林. 新型炭材料. 2014(05)
[4]热固性碳纤维复合材料废弃物回收及再利用现状[J]. 刘建叶,宋金梅,彭玉刚,胡照会. 化工新型材料. 2014(08)
[5]碳纤维复合材料的回收与利用[J]. 任彦. 新材料产业. 2014(08)
[6]碳纤维产业现状及发展前景[J]. 周传雷,艾辉,闫永君. 化学工程师. 2010(08)
硕士论文
[1]胺类固化环氧树脂的解聚机理及CFRP回收技术研究[D]. 马金焕.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3532238
【文章来源】：工程塑料应用. 2020,48(08)北大核心CSCD
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
机械法回收CFRP废弃物流程图
高温热解法是一种在高温条件下将CFRP中的树脂基体分解为H2、甲烷、碳氢化物及其它小分子化合物等,从而实现碳纤维回收利用的回收方法[11–13],流程如图2所示。王凤奎等[11]发明了一种玻璃钢高温热解回收CFRP的装置与工艺,该高温热解回收装置包括加热装置、反应釜和油气分离装置。他们将CFRP置于300～500℃温度范围内的无氧条件下进行降解回收,产生油气混合物,然后经油气分离装置分离,得到燃烧残渣和热解油。燃烧残渣可以作为水泥原料,而热解油可以作为燃料使用。K.Ushikoshi等[12]系统研究了CFRP在不同温度下惰性气体中的高温裂解过程。研究发现,在600℃温度条件下,回收得到的碳纤维表面有明显的氧化,拉伸强度损失约30%。L.O.Meyer等[13]研究发现在无氧高温热解过程中,树脂基体的降解率只和温度相关,而在空气氛围下,热解温度和时间均对树脂基体的降解率产生影响。高温热解法比较适用于大批量回收处理,虽然回收纤维性能略有下降,但是还在可接受范围内,因此是目前唯一已实现产业化回收处理的方法。例如:日本已在福冈建立了一条年回收处理60 t CFRP废料的生产线。英国Milled Carbon Fiber公司设计了一套37 m的热分解设备,可年回收处理2?000 t CFRP废弃物,其中年回收碳纤维1?200 t。美国ATI公司采用真空高温热解和催化裂解相结合的方法回收CFRP,在500℃条件下,每小时可回收处理23 kg废料,树脂基体的降解率达到99%,而纤维力学性能损伤仅为5%。
流化床工艺是指在流化床反应器内采用高温空气流对CFRP进行高温热解的分离方法。流化床工艺是由英国诺丁汉大学开发,工艺流程如图3所示。首先,将块状或片状的CFRP废弃物加入到流化床反应器中,利用热空气作为流化气体,在高温条件下,CFRP废弃物反应一定时间后,其中的树脂基体将发生氧化分解(分解温度取决于CFRP的种类,通常在450～550℃),致使碳纤维与树脂基体分离并通过气流送至碳纤维储蓄罐,得到回收的碳纤维。流化床热解方法中,流化温度、流化速度、流化时间对复合材料中树脂基体降解率及碳纤维性能影响较大[14–16]。例如,H.L.Yip等[16]在温度450℃、流化速度1 m/s、流化床上砂粒尺寸0.85 mm条件下对CFRP废弃物进行流化床热解,获得的碳纤维长度为5.9～9.5 mm。然而,测试表明碳纤维拉伸强度仅为原纤维的75%,降低比较明显,回收后的碳纤维只能降级使用。流化床热解法适合用于回收含有其它混合物或污染物的CFRP废弃物,降解回收CFRP废弃物后可以得到较为纯净的回收碳纤维。然而,回收过程中由于碳纤维在高温环境下与沙粒及旋风分离器内壁剧烈摩擦,碳纤维表面损伤严重,导致纤维性能大幅下降,回收产物的经济价值下降,严重制约了这种方法的大规模使用。
【参考文献】：
期刊论文
[1]超临界水/正丁醇混合流体对CF/EP复合材料的降解作用[J]. 黄海鸿,张保玉,成焕波,刘威豪. 材料科学与工程学报. 2019(02)
[2]压力法回收废旧碳纤维/环氧树脂复合材料[J]. 邹镇岳,秦岩,李洋,陈林锴,许亚丰. 热固性树脂. 2015(03)
[3]氯化锌乙醇溶液回收炭纤维/环氧树脂复合材料[J]. 刘影,邓天昇,吕春祥,蔡榕,侯相林. 新型炭材料. 2014(05)
[4]热固性碳纤维复合材料废弃物回收及再利用现状[J]. 刘建叶,宋金梅,彭玉刚,胡照会. 化工新型材料. 2014(08)
[5]碳纤维复合材料的回收与利用[J]. 任彦. 新材料产业. 2014(08)
[6]碳纤维产业现状及发展前景[J]. 周传雷,艾辉,闫永君. 化学工程师. 2010(08)
硕士论文
[1]胺类固化环氧树脂的解聚机理及CFRP回收技术研究[D]. 马金焕.哈尔滨工业大学 2010
本文编号：3532238
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