CN111267266A - 一种纤维增强复合材料回收的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纤维增强复合材料回收的方法，先将纤维增强复合材料进行低温处理，使得纤维增强复合材料处于以下状态，即基体材料脆化，增强纤维非脆化；再将处理后的增强纤维材料进行机械破碎，使纤维增强复合材料中的基体材料和增强纤维出现相间分离；最后将粉碎后的基体材料与增强纤维材料通过筛分装置进行筛选。本方案可以连续化加工，降低粉尘的产生，无废气，无废水产生，能源消耗低，无表面残留碳，纤维无化学破坏，基体材料可以以粉料的形式再次利用。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维技术领域，主要是涉及一种纤维增强复合材料回收的方法，其IPC分类号为C08J11/00。
背景技术
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，或Fiber Reinforced Plastic，简称FRP)是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。常见的增强纤维材料包括碳纤维，玻璃纤维，竹纤维，蚕丝纤维以及高分子有机纤维等，基体材料包括高分子树脂、陶瓷、金属等。根据增强材料的不同，常见的纤维增强复合材料分为玻璃纤维增强复合材料(GFRP)，碳纤维增强复合材料(CFRP)以及芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。
纤维增强复合材料在生产过程中存在一定比例的产品报废，在使用过程中达到产品的使用生命周期，会产生大量的纤维增强复合材料的回收再利用问题。在回收过程中，主要对纤维增强复合材料中的增强纤维加以回收再利用。降低能源消耗的同时，回收的纤维可以用于注塑工艺，模压工艺等产品制作，可大幅度降低材料成本。
目前传统的纤维回收方式主要为溶剂法和高温法。溶剂法是利用溶剂的化学特性，在一定条件下对树脂基进行解聚，从而使纤维与树脂基体材料进行分离来提取纤维。缺点是需要大量的处理溶剂，对溶剂的成分，纯度要求高，成本高，可控性差，回收效率低以及存在二次污染的污水问题。如公开号：CN107022108A，从纤维增强部件回收增强纤维的方法和装置的专利文献。
高温法是通过在反应容器中对基体材料进行高温裂解，包括热裂解，真空裂解，微波裂解等方式，缺点是需要大量的热能或者电能，能耗高，纤维表面的残碳含量高，连续化生产过程中会产生有毒有害的金属元素废气等。如公开号：CN107345000A，纤维增强复合材料的回收方法的专利文献。
发明内容
一、分析要解决的技术问题
技术人员对于纤维增强复合材料的回收方法，大多数是在溶剂法和高温法的视角下进行研究，如专利号为：CN201810876371.4的“一种连续的回收碳纤维的方法及连续性碳纤维回收装置”发明专利；如专利号为：CN201410834413.X的“一种回收废旧碳纤维/环氧树脂复合材料的方法”发明专利；如专利号为：CN201710473700.6，的“一种回收碳纤维增强树脂基复合材料的装置及其方法”。而大量的技术人员没有发现，不管是溶剂法还是高温法其缺点都在与引入或者生成了难以分离或者有毒有害的物质，而作为一种环保度高的材料回收方法，就必须避免引入第三方的介质，或者引入的第三方介质容易分离。而要达到这种要求就必须优先使用物理方法进行处理，相较于化学方法，物理方法不会产生的新的物质，就不会有后续分离中间产物的麻烦。而关于物理性质有两点，一是物质不需要经过化学变化就表现出来的性质， 二是指物质没有发生化学反应就表现出来的性质。物质的物理性质如：颜色、气味、状态、是否易融化、凝固、升华、挥发，还有些性质如熔点、沸点、硬度、导电性、导热性、延展性等，可以利用仪器测知。还有些性质，通过实验室获得数据，计算得知，如溶解性、密度等。在实验前后物质都没有发生改变。这些性质都属于物理性质。本申请通过大量的实验以及检索查询发现，增强相纤维材料和基体材料在低温环境下各自的机械性质存在非常大的差异，有研究表明碳纤维以及芳纶等有机高分子纤维可以耐受零下几百度的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维等在此条件下依旧很柔软。因此本申请采用低温环境下的机械挤压方式将基体材料从纤维材料表面分离。
二、技术方案
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：
先将纤维增强复合材料进行低温处理，使得纤维增强复合材料处于以下状态，即基体材料脆化，增强纤维非脆化；
再将处理后的增强纤维材料进行机械破碎，使纤维增强复合材料中的基体材料和增强纤维出现相间分离；
最后将粉碎后的基体材料与增强纤维材料通过筛分装置进行筛选。
进一步的，所述的筛分装置为不同孔径的网筛。
进一步的，所述的机械破碎方式包括超声波振动，金属或者陶瓷研磨料的振动摩擦，机械挤压，离心碰撞等。超声波振动的方式是利用增强相纤维的可弯曲性，主要作用在表面的不易弯曲的基体材料上；振动研磨方式主要利用研磨材料的高频振动与基体材料的相互摩擦；机械挤压方式主要在纤维材料的断裂延伸范围内，通过对辊或者平板挤压进行挤压破碎基体材料；离心碰撞是利用离心力将低温状态下的复合材料与反应装置内腔或者内部固定结构进行碰撞，将基体材料破碎分离。
进一步的，所述的低温处理方式为使用-100℃以下的液体浸没，例如为液氮、液氧、液氢等，所述的液体在标准大气压常温状态下为气体，在低温沸点时为液体。
作为优选的方案为：首先在密闭环境当中将纤维增强复合材料与液氮以体积比1：5-1:10进行充分混合，然后将低温的复合材料通过离心、挤压或者超声波振动的机械形式进行破碎和分离，机械破碎的时间、速率和强度根据处理的复合材料的结构和状态进行调节，然后，打开密闭环境，液氮通过失压气化为低温气体，保证基体材料保持在低温状态；最后将粉碎后的基体材料与纤维材料通过不同孔径的网筛进行分类筛选。
有益效果
1. 纤维增强复合材料中的基质材料会在低温状态下表现出脆性特性，而碳纤维等增强纤维在极低温条件下依旧很柔软，纤维增强复合材料表面的界面化学物质以及基质有不同的热膨胀系数，在低温状态下表现为结构收缩率/伸长率不同，从而在界面上出现相互作用力和微观的结构分离。基体材料的机械强度一般低于增强相纤维，所以在外部机械力作用下，会发生破碎和与增强相纤维的相间分离，本方案可以达到80%-100%的回收率。而热裂解形式和溶剂形式在处理完成后，较难进行纤维回收的表征和处理效果的标定。相对传统的热裂解方式，效率极大提高，能耗降低了50%。相对溶剂法，传统工艺使用树脂含量300%的溶剂消耗，而低温工艺无溶剂使用，避免了后段的污水处理工艺的投资和其他附加成本。
2. 低温回收的方式的优点是，可以连续化加工，降低粉尘的产生，无废气，无废水产生，能源消耗低，无表面残留碳，纤维无化学破坏，基体材料可以以粉料的形式再次利用。
具体实施方式：
实施例1：碳纤维增强环氧树脂基复合材料回收实验。
本实验采用的试验原材料是由碳纤维作为增强材料，以改性环氧树脂作为基体组成的T700/ T DE-85预浸料 ，其纤维体积含量为58士2%。碳纤维增强环氧树脂复合材料的密度为1.6g/cm3。
该预浸料性能优异，由其制备复合材料力学性能优良，且有较好的韧性，适用于超低温下使用。本实验针对碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行研究，增强纤维型号为12k的T700碳纤维。
实验采用SYJH-200型手动快速切割机，本机适合各种复合材料、晶体陶瓷、玻璃、岩石及金相试样等材料的粗加工，该设备可使用金刚石锯片、电锁金刚石锯片和树脂锯片，切割复合材料时采用的是电锁金刚石锯片。
将160g碳纤维复合材料实验样品放置于液氮中处理120h，160g碳纤维复合材料放置于液氧中处理120h，采用扫描电子显微镜（SEM）观测经过超低温处理后的样品横截面形貌，拉升与弯曲性能则在万能试验机上进行，加载速率为2mm/min。
在经过液氧和液氮120h的处理后，碳纤维复合材料的拉伸强度相近，分别为1450MPa和1440MPa，两者与未经超低温处理的碳纤维复合材料样品（1700MPa）相对比，下降了约14.4%和15.3% ；经过液氧与液氮处理120h后的碳纤维复合材料的弯曲强度均有大幅度提升，分别为1100MPa和1093MPa，未经超低温处理的碳纤维复合材料样品弯曲强度为700MPa，分别上升了约58%、56%；使用扫描电子显微镜（SEM）观测，发现碳纤维复合材料的横截面都出现了裂纹，这主要是由于碳纤维复合材料中的环氧树脂基体的热膨胀系数比碳纤维的热膨胀系数大，当温度从室温降至液氮或液氧温度时，树脂基体与碳纤维收缩变形不协调，从而产生了裂纹，影响了其力学性能。
此时，在低温状态下，通过机械外力对基体材料进行破碎和分离，机械挤压方式主要在纤维材料的断裂延伸范围内，通过对辊或者平板挤压进行挤压破碎基体材料。最后，将粉碎后的基体材料与纤维材料通过不同孔径的网筛进行分类筛选。最后经过液氮处理后的碳纤维复合材料回收体积为58 cm3 ，回收率99%，经过液氧处理后的碳纤维复合材料回收体积为55 cm3，回收率95%。
实施例2：芳纶纤维增强材料回收实验。
本实验采用的试验原材料是由芳纶纤维作为增强材料，以改性聚氨酯树脂作为基体组成的K49/ U235预浸料 ，其纤维体积含量为50士2%。芳纶纤维增强聚氨酯树脂复合材料的密度为1.33g/ cm3。
该预浸料性能优异，由其制备复合材料力学性能优良，且有较好的韧性，适用于超低温下使用。本实验针对芳纶纤维增强聚氨酯树脂基复合材料进行研究，增强纤维型号为K49芳纶纤维。
实验采用SYJH-200型手动快速切割机，本机适合各种复合材料、晶体陶瓷、玻璃、岩石及金相试样等材料的粗加工，该设备可使用金刚石锯片、电锁金刚石锯片和树脂锯片，切割复合材料时采用的是电锁金刚石锯片。
将133g芳纶纤维复合材料实验样品放置于液氮中处理100h，133g芳纶纤维复合材料放置于液氧中处理100h，采用扫描电子显微镜（SEM）观测经过超低温处理后的样品横截面形貌，拉升与弯曲性能则在万能试验机上进行，加载速率为2mm/min。
在经过液氧和液氮100h的处理后，芳纶纤维复合材料的拉伸强度相近，分别为755MPa和810MPa，两者与未经超低温处理的芳纶纤维复合材料样品（980MPa）相对比，下降了约22.9%和17.3% ；使用扫描电子显微镜（SEM）观测，发现芳纶纤维复合材料的横截面都出现了裂纹，这主要是由于芳纶纤维复合材料中的聚氨酯树脂基体的热膨胀系数比芳纶纤维的热膨胀系数大，当温度从室温降至液氮或液氧温度时，树脂基体与芳纶纤维收缩变形不协调，从而产生了裂纹，影响了其力学性能。
此时，在低温状态下，通过机械外力对基体材料进行破碎和分离，机械挤压方式主要在纤维材料的断裂延伸范围内，通过对辊或者平板挤压进行挤压破碎基体材料。最后，将粉碎后的基体材料与纤维材料通过不同孔径的网筛进行分类筛选。最后经过液氮处理后的芳纶纤维复合材料回收体积为47 cm3，回收率95%，经过液氧处理后的芳纶纤维复合材料回收体积为cm3，回收率92%。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：
先将纤维增强复合材料进行低温处理，使得纤维增强复合材料处于以下状态，即基体材料脆化，增强纤维非脆化；
再将处理后的增强纤维材料进行机械破碎，使纤维增强复合材料中的基体材料和增强纤维出现相间分离；
最后将粉碎后的基体材料与增强纤维材料通过筛分装置进行筛选。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：所述的筛分装置为不同孔径的网筛。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：所述的机械破碎方式包括超声波振动，金属或者陶瓷研磨料的振动摩擦，机械挤压，离心碰撞中的任一种。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：所述的低温处理方式为使用-100℃以下的液体浸没。
5.根据权利要求4所述的一种纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：所述的液体在标准大气压常温状态下为气体，在低温沸点时为液体。
6.一种如权利要求1-5任一所述的纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：首先在密闭环境当中将纤维增强复合材料与液氮混合，然后将低温的复合材料通过离心、挤压或者超声波振动的机械形式进行破碎和分离，机械破碎的时间、速率和强度根据处理的复合材料的结构和状态进行调节，然后，打开密闭环境，液氮通过失压气化为低温气体，保证基体材料保持在低温状态；最后将粉碎后的基体材料与纤维材料通过不同孔径的网筛进行分类筛选。
7.根据权利要求6所述的纤维增强复合材料回收的方法，其特征在于 ：纤维增强复合材料与液氮混合的体积比为1：5-1:10。
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