热固性碳纤维复合材料的回收技术研究

  热固性碳纤维复合材料因其耐腐蚀、抗疲劳、高比强度和比模量、可设计性好等优异性能,广泛应用于航空航天、汽车行业及风电产业等领域。复合材料分为热固性复合材料(FR-SP)和热塑性复合材料(FRTP)两种。随着复合材料在各领域的广泛应用,据中国复合材料工业协会统计,我国复合材料产量呈逐年增长趋势,2011年我国复合材料总产量为381万吨。

  热固性复合材料固化后形成不溶不熔的三维网状交联结构,导致其废弃物回收困难。复合材料废弃物来源于制造期间产生的废弃物及达到使用年限后报废的产品。据统计,2011年我国复合材料废弃物的总量约为300万t,并且每年新增废弃物10万t以上。热固性复合材料废弃物的大量堆积不仅占据了工业用地,而且污染环境,成为阻碍复合材料发展的瓶颈。因此,复合材料废弃物的回收再利用技术成为国内外研究热点之一。

  流化床回收技术。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。该工艺由英国诺丁汉大学开发,将块状废弃碳纤维复合材料连续加入流化床反应器,用空气做流化气体,在500~600℃温度条件下,复合材料反应一定时间后,基体树脂发生氧化分解,碳纤维与树脂分离,通过气流送至纤维储罐。流化床技术回收的碳纤维质量稳定,杨氏模量基本不变,拉伸强度为新鲜碳纤维的70%~80%,因此该工艺正在进行中试放大。

  热裂解回收技术。热裂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。对于热固性碳纤维复合材料,基体树脂分解产物主要是苯酚,可用于制造酚醛树脂或环氧树脂等。该法回收的碳纤维质量较稳定,大尺寸废弃物可以进入反应器发生分解。但当废弃物尺寸较大时,回收的碳纤维质量不稳定且性能下降较多。工艺流程为复合材料碎片首先进入裂解反应器,基体树脂在400~500℃下进行裂解,裂解产生的积碳存留在碳纤维上。碳纤维单丝被积炭连接成固体,中间产物再进入氧化反应器将积炭除去释放出碳纤维单丝。

  溶剂解离回收技术。溶剂解离回收是采用溶剂在一定的条件下,实现基体树脂和纤维的分离及回收的方法。溶剂解离回收技术主要分为低温解离法和超临界解离法。低温解离法操作安全,但反应时间长。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。

  国内外热固性碳纤维复合材料的回收再利用技术取得较快的发展,但目前报道的方法一般需要高温、高压和高腐蚀性条件,能耗高且大部分集中在理论和实验室阶段。复合材料废弃物的回收再利用方法较多,各自优缺点不同,还需进一步研究改进,以保证回收碳纤维的质量稳定性及工业上大规模推广使用的可靠性。在国家政策的指引下,应大力发展能耗小、回收效果好的热固性碳纤维复合材料废弃物工业化回收及再利用工艺,实现复合材料废弃物的资源化回收再利用,对建设资源节约型、环境友好型和谐社会,响应国内外保护环境、节能减排、可持续发展的号召具有重要意义。

 

  阅读延伸:《热固性碳纤维与热塑性碳纤维有哪些区别