CN102558603A - 一步法回收并改性碳纤维的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于固体废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种一步法回收并改性碳纤维的方法。本发明通过机械破碎的方法将聚合物碳纤维复合材料破碎成合适的大小，再将破碎后的聚合物碳纤维复合材料、溶剂和催化剂加入高压反应釜中，利用一定温度和压力的水分解碳纤维复合材料的聚合物基体，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。本发明反应步骤简单，高温高压的水能充分分解碳纤维复合材料的聚合物基体，在不破坏碳纤维内部结构的同时使碳纤维表面接上-COOH和-OH等活性基团。回收得到的碳纤维力学性能优异，可再次作为复合材料的增强材料使用。这不仅缓解了废弃物处理压力，还可以降低材料成本，具有重大的经济和社会意义。

Description

一步法回收并改性碳纤维的方法
技术领域
本发明属于固体废弃物综合利用技术领域，具体涉及一种一步法回收并改性碳纤维的方法。
背景技术
碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦高于钢。但是碳纤维高昂的价格极大地限制了其在各领域的推广和应用。
水是自然界最重要的溶剂，水的临界温度和压力分别为647.3K和22.1 MPa。超临界水是指温度和压力均处于临界点以上的水。温度在200~350℃之间的压缩液态水被称为近临界水，它和超临界水一起统称为高温高压水。高温高压条件下水的密度、介电常数、溶剂化能力、粘度、离子积等发生了急剧的变化，表现出类似稠密气体的一些性质。与常温常压水相比，高温高压水的离子积常数显著增大，本身具有一定的酸碱催化能力。介电常数的降低使得高温高压水对大部分有机物具有较好的溶解能力。这种独特性质使得高温高压水成为水解、氧化、加氢和烷化等反应进行的理想介质。通常将以高温高压水为介质的反应称为水热反应。利用高温高压水的特性，采用水热反应技术处理有机废物，可以使有机废物在一定温度和压力条件下发生降解，生成小分子的化合物或单体。在此过程中，水既是反应介质又是反应物，起到一定的酸碱催化作用，能减少溶剂或催化剂带来的污染。
利用高温高压水能使聚合物碳纤维复合材料上的聚合物基体完全分解为小分子，在不破坏碳纤维内部结构的同时使碳纤维表面接上-NH2和-OH等活性基团。回收得到的碳纤维力学性能优异，可再次作为复合材料的增强材料使用。这不仅缓解了废弃物处理压力，还可以降低材料成本，具有重大的经济和社会意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一步法回收并改性碳纤维的方法。
本发明提出的一种一步法回收并改性碳纤维的方法，是通过机械破碎的方法将聚合物碳纤维复合材料破碎成合适的大小，再将破碎后的聚合物碳纤维复合材料和适量的水加入高压反应釜中，利用高温高压的水分解碳纤维复合材料的聚合物基体，最终得到力学性能优异、表面接有-NH2和-OH等活性基团的回收碳纤维。其具体步骤如下：
(1)通过锤式破碎机将回收的聚合物碳纤维复合材料破碎为体积在1~100m3的小块；再将破碎后的聚合物碳纤维复合材料在25~120℃下干燥1～48小时；
 (2) 在高压反应釜中加入1～4×103g溶剂和1～1×103g催化剂，用玻璃棒搅拌1～30分钟后，再加入1～1×103g干燥后的聚合物碳纤维复合材料，用玻璃棒搅拌分散1～60分钟后，在2.5~2.7MPa的空气压力、1~500℃下处理1分钟~12小时后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25~120℃下干燥1～48小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
本发明中，步骤(1)中所述聚合物碳纤维复合材料为不饱树脂碳纤维复合材料、酚醛树脂碳纤维复合材料、双马来酰亚胺碳纤维复合材料或环氧树脂碳纤维复合材料中的任一种或其多种组合。
本发明中，步骤(2)中所述溶剂为水、苯酚、甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、环己醇、四氢萘或十氢萘中的任一种或其多种组合。
本发明中，步骤(2)中所述催化剂为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、高氯酸、苯磺酸、乙二酸、醋酸、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾或碳酸钠中的任一种或其多种组合。
本发明反应步骤简单，高温高压的水能充分分解碳纤维复合材料的聚合物基体，在不破坏碳纤维内部结构的同时使碳纤维表面接上-COOH和-OH等活性基团。回收得到的碳纤维力学性能优异，可再次作为复合材料的增强材料使用。本发明开辟了废旧复合材料循环利用的新领域，同时也极大地拓宽了碳纤维的应用范围，可以预见其前景将是非常广阔的。
附图说明
图1为实施例l给出的回收碳纤维的扫描电镜图。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例1：以回收的环氧树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以水为液化溶液、碳酸钠为催化剂对回收的环氧树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的环氧树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；再将破碎后的环氧树脂碳纤维复合材料小块在100℃下干燥1小时； 
步骤(2)：在高压反应釜中加入800mL的水和8g的碳酸钠，用玻璃棒搅拌15分钟后，再加入200g干燥后的环氧树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、400℃下处理30分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在60℃下干燥3小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为80g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为3.8GPa，平均杨氏模量为315GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-NH2含量为3.2wt%，-OH含量为2.3wt%。
图1给出回收碳纤维的扫描电镜图。
实施例2：以回收的不饱树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以水为液化溶液、硫酸为催化剂对回收的不饱树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的不饱树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；再将破碎后的不饱树脂碳纤维复合材料小块在80℃下干燥2小时；
步骤(2)：在高压反应釜中加入800mL的水和8mL、90％重量浓度硫酸溶液，用玻璃棒搅拌10分钟后，再加入250g干燥后的不饱树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、380℃下处理30分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在80℃下干燥3小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为90g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为4GPa，平均杨氏模量为350GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-COOH含量为3.5wt%，-OH含量为2.4wt%。
实施例3：以回收的酚醛树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以无水乙醇为液化溶液、硫酸为催化剂对回收的酚醛树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的酚醛树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；再将破碎后的酚醛树脂碳纤维复合材料小块在100℃下干燥2小时；
步骤(2)：在高压反应釜中加入900mL的无水乙醇和9mL、90％重量浓度硫酸溶液，用玻璃棒搅拌10分钟后，再加入300g干燥后的酚醛树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、450℃下处理20分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在100℃下干燥3小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为125g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为4.8GPa，平均杨氏模量为285GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-COOH含量为2.8wt%，-OH含量为2.1wt%。
实施例4：以回收的环氧树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以水为液化溶液、硝酸为催化剂对回收的环氧树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的环氧树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于8×6×4cm的小块；再将破碎后的环氧树脂碳纤维复合材料小块在100℃下干燥1小时；
步骤(2)：在高压反应釜中加入1000mL的水和80mL、90％重量浓度硝酸溶液，用玻璃棒搅拌10分钟后，再加入400g干燥后的环氧树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、400℃下处理30分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在100℃下干燥3小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为216g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为5GPa，平均杨氏模量为415GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-COOH含量为3.7wt%，-OH含量为2.3wt%。
实施例5：以回收的酚醛树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以苯酚为液化溶液、硫酸为催化剂对回收的酚醛树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的酚醛树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；再将破碎后的酚醛树脂碳纤维复合材料小块在100℃下干燥3小时；
步骤(2)：在高压反应釜中加入1200g的苯酚和10mL、90％重量浓度硫酸溶液，用玻璃棒搅拌30分钟后，再加入500g干燥后的酚醛树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、400℃下处理30分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在100℃下干燥4小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为225g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为3.2GPa，平均杨氏模量为270GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-COOH含量为3.8wt%，-OH含量为2.2wt%。
实施例6：以回收的不饱树脂碳纤维复合材料为初始原料，通过锤式破碎机将其破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；以无水乙醇为液化溶液、氢氧化钾为催化剂对回收的不饱树脂碳纤维复合材料进行水热法分解处理，最终得到力学性能优异、表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
步骤(1)：通过锤式破碎机将回收的不饱树脂碳纤维复合材料破碎为长×宽×厚等于10×4×3cm的小块；再将破碎后的不饱树脂碳纤维复合材料小块在120℃下干燥1小时；
步骤(2)：在高压反应釜中加入800mL的无水乙醇和8g氢氧化钾，用玻璃棒搅拌30分钟后，再加入300g干燥后的不饱树脂碳纤维复合材料小块，用玻璃棒搅拌分散30分钟后，在2.7MPa的空气压力、400℃下处理30分钟后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在100℃下干燥3小时，得到表面接有-COOH和-OH等活性基团的回收碳纤维。
回收的碳纤维质量为112g，力学性能测试结果表明回收碳纤维的平均拉伸强度为5GPa，平均杨氏模量为385GPa；XPS测试结果表明回收碳纤维的-COOH含量为3.0wt%，-OH含量为2.1wt%。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一步法回收并改性碳纤维的方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)通过锤式破碎机将回收的聚合物碳纤维复合材料破碎为体积在1~100m3的小块；再将破碎后的聚合物碳纤维复合材料在25~120℃下干燥1～48小时；
 (2)在高压反应釜中加入1～4×103g溶剂和1～1×103g催化剂，用玻璃棒搅拌1～30分钟后，再加入1～1×103g干燥后的聚合物碳纤维复合材料，用玻璃棒搅拌分散1～60分钟后，在2.5~2.7MPa的空气压力、1~500℃下处理1分钟~12小时后经去离子水稀释洗涤，滤膜抽滤，反复洗涤至滤液呈中性，在25~120℃下干燥1～48小时，得到表面接有-COOH和-OH活性基团的回收改性碳纤维。
2.根据权利要求1所述的一步法回收并改性碳纤维的方法，其特征在于步骤(1)中所述聚合物碳纤维复合材料为不饱树脂碳纤维复合材料、酚醛树脂碳纤维复合材料、双马来酰亚胺碳纤维复合材料或环氧树脂碳纤维复合材料中的任一种或其多种组合。
3.根据权利要求1所述的一步法回收并改性碳纤维的方法，其特征在于步骤(2)中所述溶剂为水、苯酚、甲醇、乙醇、乙二醇、聚乙二醇、丙醇、异丙醇、丙三醇、正丁醇、异丁醇、环己醇、四氢萘或十氢萘中的任一种或其多种组合。
4.根据权利要求1所述的一步法回收并改性碳纤维的方法，其特征在于步骤(2)中所述催化剂为硫酸、硝酸、盐酸、磷酸、高氯酸、苯磺酸、乙二酸、醋酸、氢氧化钾、氢氧化钠、碳酸钾或碳酸钠中的任一种或其多种组合。
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