碳纤维复合材料回收的方法有哪些?

  目前,碳纤维复合材料已经成为军工、能源、交通、化工、电力等行业中必不可少的新型结构和功能材料,特别是随着我国航空工业、汽车工业和风电产业的高速发展,碳纤维复合材料的应用将越来越广泛,其废弃物的回收和再利用将会成为必然要面临的重要问题。所以研究和开发碳纤维增强复合材料高效的回收利用技术,对于复合材料产业的发展将会具有十分重要的作用,而且对于保护环境和经济发展也将有非常重要的影响。目前碳纤维复合材料回收主要有以下几种方法。

  1.高温热解法

  热解法是当今唯一已经实现商业化运营的碳纤维增强复合材料的回收方法,这种工艺是在高温下使复合材料进行降解,以得到表面干净的碳纤维,同时还可以回收部分有机液体燃料。

  值得注意的是,采用高温热解法虽然可以得到比较干净、长度较短的碳纤维,同时分解的复合材料的产物还可用作燃料或其他用途,但是碳纤维由于受到高温和表面氧化等作用,碳纤维的力学性能降低的幅度比较大,这将使碳纤维的再利用受到一定的影响。

  2.流化床热分解法

  流化床热分解法是一种采用高温的空气热流对碳纤维复合材料进行高温热分解的碳纤维回收方法,通常这种工艺还采用旋风分离器来获得填料颗粒和表面干净的碳纤维。英国诺丁汉大学对于流化床热分解工艺方法进行了系统研究,结果表明这种方法特别适用于那些含有其他混合物及污染物碳纤维复合材料报废零部件的回收和利用。

  大量的试验研究结果表明,流化床热分解造成碳纤维拉伸强度降低的主要影响因素是砂粒对纤维表面由于摩擦作用造成了一定的损伤,而且碳纤维与旋风分离器壁的摩擦也造成了碳纤维表面的破坏。因此,虽然用流化床分解法回收可得到比较干净的碳纤维,但由于这种工艺受高温、砂粒磨损等影响,导致了碳纤维长度变短和碳纤维力学性能下降,因而也将影响所回收碳纤维的实际应用范围。

  3.超/亚临界流体法

  当液体的温度及压力处于临界点或临界点的附近时,液体的相对密度、溶解度、热容量、介电常数及化学活性等各种性质都将会发生急剧的变化,从而使液体具有很高的活性、极强的溶解性、特异的流动性、渗透性、扩散性等性质,人们正是利用超/亚临界液体的这些特性,利用它们具有对于高分子材料的独特溶解性能来分解碳纤维复合材料,在期待能最大限度地保留碳纤维的原始性能的前提下,获得到干净的碳纤维。

  试验结果表明,用超临界丙醇回收的碳纤维的拉伸强度和刚度的是原始纤维99%;同时,研究还表明,甲醇和乙醇对聚酯类树脂的溶解效果比较好,而对环氧树脂的溶解效果比较差,而丙醇可很好地分解环氧树脂复合材料。在超临界水中通过添加氧气,使分解速度大大提高,而且回收得到的碳纤维的强度几乎没有下降。

  碳纤维复合材料的回收和再利用具有多方面的经济效益,碳纤维回收和再利用不仅可以实现高价值材料的再利用,而且碳纤维复合材料部件回收和再利用可大大减少能源消耗和环境污染。由于热固性塑料经过固化处理后,其内部交联成一种网状结构的稳定状态,因而具有了不溶于各种溶剂,在加热过程中也不会熔化的特性,长期放置或掩埋也不会分解。虽然可将碳纤维从复合材料中分离出来,但由于纤维变短和性能下降,同时还会产生环境污染,因而还有待进一步研究与完善。