CN104327301B

CN104327301B - 太阳光二次反射回收碳纤维装置及其回收方法

Info

Publication number: CN104327301B
Application number: CN201410543145.6A
Authority: CN
Inventors: 赵崇军; 王格非; 黄友富; 钱秀珍; 葛正祥; 董建波
Original assignee: East China University of Science and Technology; Boeing China Co Ltd
Current assignee: East China University of Science and Technology; Boeing China Co Ltd
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-10-15
Also published as: CN104327301A

Abstract

本发明太阳光二次反射回收碳纤维装置，含碳纤维回收、废气回收处理和能源动力三个系统，碳纤维回收系统包括由反光镜及二次聚光塔构成的太阳光聚光系统和样品固定系统，废气回收处理系统含有除尘装置、热交换器、二氧化碳吸收塔、等离子处理器、风机和相应管道；本发明装置由太阳能光伏系统提供动力。利用所述装置回收碳纤维的方法包括的步骤有：⑴采用尺寸和形状不限的碳纤维增强复合材料；⑵将材料固定在3D样品移动平台上；⑶太阳光聚焦样品腔并稳定温度于360～550℃；⑷将3D样品移动平台移入样品腔并辐照5～180分钟；⑸冷却、去杂质，得到回收的碳纤维。本发明不需有机溶剂，不耗火电，对回收CFRP废弃物有积极意义。

Description

太阳光二次反射回收碳纤维装置及其回收方法

技术领域

本发明属于高分子材料回收技术领域，具体地是一种太阳光二次反射回收碳纤维装置和利用所述装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维增强高分子（Carbon fiber reinforced polymer composites，简称CFRP)，具有质量轻、机械强度优异、耐腐蚀性能良好和热膨胀性低等优点，正越来越多地被航空航天、汽车制造、体育用品、可再生能源和其他领域所广泛应用，应用的增量每年为10～15%。但是，在CFRP广泛应用的同时，含热固性树脂基的CFRP废弃物也在不断增加。由于CFRP废弃物的成分难以降解，若不能有效地对其进行回收或处理，不仅会严重污染环境，而且也会造成碳纤维资源的极大浪费。

目前，CFRP废弃物的回收处理方法有两大类，按是否采用介质进行划分：一类是采用有化学介质（有机溶剂或者浓硝酸）的方法——化学介质法，其包括：超临界法、溶剂热法、微波法、普通加热法等等。另一类是不涉及化学介质，以热裂解为主的方法——热裂解法。

所述化学介质法在从CFRP废弃物回收碳纤维的过程中需要加热升温，如果采用开放体系的装置将会有大量的有机溶剂在蒸发后进入大气，造成大气污染；若采用密封体系的装置则会面临爆炸的潜在风险，而且随着处理容器体积的增加，风险会成倍增加。因此，化学介质法尤其不适于处理大件碳纤维增强件。此外，化学介质法是依赖高分子在介质中的溶解降解作用的，因此，在处理结束后会产生大量溶有高分子降解物的有机溶液（或者硝酸）均相废液，而这些均相废液很难分离。对此，现在采用的蒸馏回收溶剂的方法费时费力，而且耗能很大。上述大量的难以处理的废液会造成环境严重的“二次污染”。

所述热裂解法是目前唯一在商业化应用的碳纤维回收技术。相比较化学介质法，所述热裂解法不产生会导致“二次污染”的废液；再由于热裂解炉体积较大，可以处理较大的碳纤维增强件。然而，所述热裂解法会受限于热裂解炉的体积，无法一次性对大件甚至超大件碳纤维增强件进行处理；此外，大型热裂解炉需要持续保持400～550℃的温度范围，耗能极大，使碳纤维回收的成本较高。

另一方面的问题是，回收碳纤维的再利用，尤其是在高端领域中的再利用，取决于回收的碳纤维的质量。目前回收的碳纤维大小不一、堆积密度低、损失严重，回收的碳纤维杂乱无章，不易于在再制造过程中的应用，更难于应用在高端的应用领域。因此，目前迫切需要开发或者寻找一种低成本、无污染、损伤小、能回收有序排列碳纤维的方法，以应对日益增长的CFRP废弃物的处理和回收的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服以上不足，提供一种太阳光二次反射回收碳纤维装置，所述装置能用于从CFRP废弃物中回收碳纤维并且不受处理装置容积的限制；本发明的第二目的是，提供利用所述装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，按之能从CFRP废弃物中获得干净的、未损坏的、长而有序的碳纤维，有利于回收碳纤维的再制造应用。本发明的装置和方法既不需要化学有机溶剂，也无需消耗火电来加热，对处理和回收CFRP废弃物具有积极的现实意义。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方案。

一种太阳光二次反射回收碳纤维装置，含有碳纤维回收系统、废气回收处理系统和能源动力系统，所述碳纤维回收系统包括太阳光聚光系统和样品固定系统：所述太阳光聚光系统含有由多面反光镜构成的反射光系统及一个二次聚光塔，所述反射光系统设置在金属支架上，所述二次聚光塔由两根支柱支撑（在两根支柱的上端构建金属框架，所述二次聚光塔固定在所述金属框架上），所述反射光系统通过所述金属支架设置在所述二次聚光塔的周围；在所述二次聚光塔的下面设有集风罩，所述集风罩的上端设有石英盖，所述集风罩的两侧分别设有入口端和出口端；所述样品固定系统含有样品腔和3D样品移动平台，所述样品腔即为所述集风罩内的空腔，所述3D样品移动平台为与所述样品腔配套的结构件，用于控制样品在X、Y和Z轴方向的移动；所述废气回收处理系统含有热交换器、除尘装置、二氧化碳吸收塔、等离子处理器、风机以及第一管道、第二管道、第三管道、第四管道、第五管道、第六管道和第七管道：所述的热交换器一侧的上端通过第一管道与所述集风罩一侧的出口端连接，所述热交换器另一侧的上端通过第二管道与所述除尘装置的一侧连接；所述除尘装置的上端通过第三管道与所述二氧化碳吸收塔一侧的下端连接；所述二氧化碳吸收塔另一侧的上端通过第四管道与所述等离子处理器的上端连接；所述等离子处理器的下端通过第五管道连接所述风机；所述风机再通过所述第六管道与所述热交换器连接，进行热量回收后，所述热交换器再通过第七管道与所述集风罩一侧的入口端连接，将处理干净的带有一定温度的气体通入集风罩样品腔；所述能源动力系统由太阳能光伏系统构成，由太阳能光伏系统为本发明装置的各个部分提供动力。

进一步，所述反光系统由5～30台反光装置构成，每台反光装置上设有若干块反光镜。

进一步，所述二次聚光塔由多面平面反光镜或者曲面镜构成，通过调节光路来满足聚光条件。

进一步，所述集风罩为方形、圆形或者长方形结构。

进一步，所述碳纤维回收系统含有一个软件平台，所述软件平台控制的事项包括：样品处理、样品腔温度的控制、3D样品移动平台温度的控制、样品表面温度和处理时间的控制及复杂样品表面的控制。

为实现上述第二目的，本发明采取了以下技术方案。

利用所述太阳光二次反射回收碳纤维装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）采用含有碳纤维和高分子树脂基体的碳纤维增强复合材料；

（2）将步骤（1）的材料固定在样品固定系统的3D样品移动平台上；

（3）通过太阳光聚光系统将太阳光聚焦到样品固定系统的样品腔内并将温度稳定在360～550℃范围内；

（4）将步骤（2）的3D样品移动平台移动到步骤（3）的样品腔内并辐照5～180分钟；

（5）将步骤（4）辐照处理完毕的样品取出，自然冷却至室温、通过风吹方式除去样品表面的杂质，即得到回收的碳纤维。

进一步，步骤（1）所述的碳纤维增强复合材料的尺寸和形状不受限制，能连续进行碳纤维的回收。

进一步，所述碳纤维增强复合材料的基体为热固性树脂，包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、脲醛树脂或呋喃树脂。

可选的，步骤（3）所述的温度范围为400～550℃或者450～550℃。

可选的，步骤（4）所述的辐照时间为30～180分钟或者30～60分钟。

本发明的积极效果是：

（1）本发明的装置由于CFRP废弃物能放置在3D样品移动平台上并处于开放状态中，没有受限于处理装置容积的问题，所以在处理CFRP废弃物制件时不受尺寸的限制。

（2）回收的碳纤维能保持原有的排列取向，有利于回收碳纤维的再制造应用。

（3）本发明的方法简单有效，能从CFRP废弃物中获得干净的、未损坏的、长而有序的高附加值的碳纤维，同时能降低回收成本，实现节约资源和保护环境的目的。

（4）利用本发明的装置和方法回收碳纤维，既不需要化学有机溶剂，也无需消耗电力来加热，能有效降低CFRP废弃物回收的成本，具有积极的现实意义。

附图说明

图1为本发明太阳光二次反射回收碳纤维装置的结构示意图（含太阳光二次聚光原理）。

图2为集风罩与3D样品移动平台的结构俯视图。

图3为处理前碳纤维增强高分子样品的数码照片。

图4为处理后回收的碳纤维样品的数码照片。

图中的标号分别为：

1、反光镜； 2、二次聚光塔； 3、石英盖；

4、集风罩； 41、入口端； 42、出口端；

51、样品腔； 52、3D样品移动平台； 6、热交换器；

7、除尘装置； 8、二氧化碳吸收塔； 9、等离子处理器；

10、风机； 11、第一管道； 12、第二管道；

13、第三管道； 14、第四管道； 15、第五管道；

16、第六管道； 17、第七管道。

具体实施方式

以下介绍本发明太阳光二次反射回收碳纤维装置及其回收方法的具体实施方式，但是应该指出，本发明的实施不限于以下的实施方式。

参见图1。一种太阳光二次反射回收碳纤维装置，含有反光镜1、凹面镜2、石英盖3、集风罩4、样品腔51、一个3D样品移动平台52、热交换器6、除尘装置7、二氧化碳吸收塔8、等离子处理器9、风机10、第一管道11、第二管道12、第三管道13、第四管道14、第五管道15、第六管道16和第七管道17。

本发明的装置在结构上可分为：碳纤维回收系统、废气回收处理系统和能源动力系统。所述碳纤维回收系统又包括太阳光聚光系统和样品固定系统：所述太阳光聚光系统含有反光系统以及一个二次聚光塔2。所述反光系统可用5～30台反光装置构成，在本实施例中采用了15台反光装置，每台反光装置上安装有4块1×2m的平面反光镜1，15台反光装置组成60面反光镜1，其面积可达120m²。

实施中，所述的反光镜1采用平面镜，将它们分开设置在15台反光装置上；再将所述15台反光装置设置在一个金属支架上并环绕所述二次聚光塔2设置，15台反光装置60面反光镜1的聚光点都是二次聚光塔2的反光镜下方。将所述二次聚光塔2采用两根支柱支撑：可在两根支柱的上端设置金属管柱，将所述二次聚光塔2固定在所述金属管柱上。所述二次聚光塔2可采用凹面或凸面的反光镜结构（曲面镜）或者采用多面平面反光镜结构，能将60块反光镜1的反射光聚光后进行二次反射（参见图1的右面部分）。所述二次聚光塔2可通过设置调节光路来满足聚光条件的要求。

在所述二次聚光塔2的下面设置集风罩4，所述集风罩4为上下开放、四周围起来的金属装置，可采用方形或者圆形或者长方形的结构件，在本实施例中采用了方形结构的集风罩4（参见图2）：在所述集风罩4的上端设置一个透光效果好的石英盖3；在所述集风罩4的两侧分别设置入口端41和出口端42。所述集风罩4的空腔即为样品腔51，其内可设置3D样品移动平台52。所述集风罩4开放的下端便于放置和移动有结构形状的CFRP废弃物。

所述样品固定系统含有样品腔51和一个3D样品移动平台52，所述样品腔51即为所述集风罩4的空腔，所述3D样品移动平台52是与所述样品腔51配套的结构件，将之放置样品腔51内后可用于控制样品在X、Y和Z轴方向的移动。

所述废气回收处理系统含有热交换器6、除尘装置7、二氧化碳吸收塔8、等离子处理器9、风机10和第一管道11、第二管道12、第三管道13、第四管道14、第五管道15、第六管道16以及第七管道17。所述热交换器6可采用普通的板式换热器即可。所述除尘装置7可采用滤筒式除尘器除尘装置。所述二氧化碳吸收塔8可采用喷淋式二氧化碳吸收塔8，ϕ1400×5200mm。所述等离子处理器9可采用DLZ系列机型。所述风机10可采用TF-151B机型风机。所述管道（包括第一管道11、第二管道12、第三管道13、第四管道14、第五管道15、第六管道16及第七管道17）可采用普通的塑料管。

将所述热交换器6一侧的上端通过第一管道11与所述集风罩4一侧的出口端42连接：通过所述热交换器6能将废气的温度从360～550℃降低到80℃以下；再将所述热交换器6另一侧的上端通过第二管道12与所述除尘装置7的一侧连接：通过所述除尘装置7的滤网能将样品腔51内处理材料产生的废气中含有的固体废物过滤掉；再将所述除尘装置7的上端通过第三管道13与所述二氧化碳吸收塔8一侧的下端连接：利用二氧化碳吸收塔8处理包括CO₂在内的废气；将所述二氧化碳吸收塔8另一侧的上端通过第四管道14与所述等离子处理器9的上端连接：通过所述等离子处理器9进一步降解废气中残留的有机物和其他废气；将所述等离子处理器9的下端通过第五管道15设置所述的风机10；最后，将所述风机10通过第六管道16与热交换器6连接，进行热量回收后（注：本发明可设置两台热交换器6：一台热交换器6与集风罩4的出口端42连接，另一台热交换器6与集风罩4的入口端41连接）；所述第二台热交换器6再通过第七管道17与所述集风罩4的入口端41连接，将处理干净的带有一定温度的气体回入集风罩4样品腔51内，实现对处理干净的带有一定温度的气体的循环利用，从而进一步节约能源。

本发明的能源动力系统由太阳能光伏系统构成，由太阳能光伏系统为本发明装置的各个部分提供动力。

实施中，本发明所述的碳纤维回收系统可采用一个软件平台进行控制，软件平台控制的事项可包括：样品处理、利用温控系统通过调控工作的定日镜的面数来实现样品腔51温度的控制和3D样品移动平台52温度的控制、以及样品表面温度，通过样品台的移动速度实现处理时间的控制（具体技术方案将由另一个专利申请记载）。

利用本发明的太阳光二次反射回收碳纤维装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法是，包括以下步骤：

（1）采用含有碳纤维和高分子树脂基体的碳纤维增强复合材料（CFRP废弃物）。所述碳纤维增强复合材料的基体为热固性树脂，可包括环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂、聚氨酯树脂、聚酰亚胺树脂、脲醛树脂或呋喃树脂。

（2）将步骤（1）的材料固定在样品固定系统的3D样品移动平台52上。由于3D样品移动平台52处于开放状态，没有容积限制的问题，因此，所述碳纤维增强复合材料的尺寸和形状是不受限制的。

（3）通过太阳光聚光系统（多面反光镜1和二次聚光塔2）将太阳光聚焦到样品固定系统集风罩4的样品腔51内并将温度稳定在360～550℃范围内。

（4）将步骤（2）的3D样品移动平台52移动到步骤（3）的样品腔51内并辐照5～180分钟。

（5）将步骤（4）辐照处理完毕的物件取出，自然冷却至室温、通过风吹方式除去样品表面的杂质，即得到回收的碳纤维。

利用本发明的太阳光二次反射回收碳纤维装置能连续进行碳纤维的回收。

本发明太阳光二次反射回收碳纤维装置的工作方式（原理）为：

本发明的太阳光二次反射回收碳纤维装置的原始动力是聚焦太阳光。将固定有碳纤维增强复合材料的3D样品移动平台52移动到集风罩4的样品腔51内；将所述样品腔51通过第一管道11与热交换器6连接，先利用处理CFRP废弃物气体的部分热量；然后，再通过第二管道12和除尘位置7将所述样品腔51内处理材料产生的废气中的固体废物过滤掉；过滤后的废气再通过第三管道13和第四管道14继续经二氧化碳吸收塔8、等离子处理器9连续处理，处理后干净的带有一定温度的气体通过第五管道15、风机10以及第六管道16和第七管道17再回入集风罩4的样品腔51，实现对热能的循环利用。

以下提供本发明利用太阳光二次反射回收碳纤维装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法的4个具体实施方式。

实施例1

（1）采用一块尺寸为600mm×600mm×3mm正方形片材的CFRP废弃物（参见图3）。

（2）将步骤（1）的片材固定在3D样品移动平台52上。

（3）通过软件平台的控制将太阳光（通过石英盖3）聚焦到样品腔51内并将温度稳定在400℃。

（4）将步骤（2）的3D样品移动平台52移动到步骤（3）的样品腔51内并通过软件平台的控制将3D样品移动平台52在X和Y轴方向匀速移动，使CFRP处理均匀，辐照60分钟。

（5）将步骤（4）辐照处理完毕的片材取出，自然冷却至室温、然后通过风吹方式除去物件表面的杂质，即得到回收的碳纤维（参见图4）。

对实施例1回收的碳纤维的性能测试

（1）实施例1回收的碳纤维可通过目视和数码照片判断碳纤维丝的分离和破坏状况（参见图4）。

（2）通过光学显微镜和电子显微镜的观察，实施例1回收的碳纤维表面处理干净，没有残留的树脂，同时，碳纤维丝的表面没有烧蚀的坑洞。

实施例2

（1）采用一块长条形片材的CFRP废弃物。

（2）（同实施例1）。

（3）通过软件平台的控制将太阳光聚焦到样品腔51内并将温度稳定在360℃。

（4）（同实施例1），辐照180分钟。

（5）（同实施例1）得到回收的碳纤维。

实施例3

（1）采用一块长条形片材的CFRP废弃物。

（2）（同实施例1）。

（3）通过软件平台的控制将太阳光聚焦到样品腔51内并将温度稳定在550℃。

（4）（同实施例1），辐照5分钟。

（5）（同实施例1）得到回收的碳纤维。

实施例4

（1）采用一块长条形片材的CFRP废弃物。

（2）（同实施例1）。

（3）通过软件平台的控制将太阳光聚焦到样品腔51内并将温度稳定在450℃。

（4）（同实施例1），辐照30分钟。

（5）（同实施例1）得到回收的碳纤维。

利用本发明的装置和方法回收碳纤维，既不需要化学有机溶剂，也无需消耗电力来加热，能从CFRP废弃物中获得干净的、未损坏的、长而有序的高附加值的碳纤维，同时能有效降低CFRP废弃物的回收成本，实现节约资源和保护环境的目的，因而具有积极的现实意义。

Claims

1.一种太阳光二次反射回收碳纤维装置，含有碳纤维回收系统、废气回收处理系统和能源动力系统，所述碳纤维回收系统包括太阳光聚光系统和样品固定系统：所述太阳光聚光系统含有由多面反光镜（1）构成的反射光系统及一个二次聚光塔（2），所述反射光系统设置在金属支架上，所述二次聚光塔（2）由两根支柱支撑，所述反射光系统通过所述金属支架设置在所述二次聚光塔（2）的周围；在所述二次聚光塔（2）的下面设有集风罩（4），所述集风罩（4）的上端设有石英盖（3），所述集风罩（4）的两侧分别设有入口端（41）和出口端（42）；所述样品固定系统含有样品腔（51）和3D样品移动平台（52），所述样品腔（51）即为所述集风罩（4）内的空腔，所述3D样品移动平台（52）为与所述样品腔（51）配套的结构件，用于控制样品在X、Y和Z轴方向的移动；所述废气回收处理系统含有热交换器（6）、除尘装置（7）、二氧化碳吸收塔（8）、等离子处理器（9）、风机（10）以及第一管道（11）、第二管道（12）、第三管道（13）、第四管道（14）、第五管道（15）、第六管道（16）和第七管道（17）：所述的热交换器（6）一侧的上端通过第一管道（11）与所述集风罩（4）一侧的出口端（42）连接，所述热交换器（6）另一侧的上端通过第二管道（12）与所述除尘装置（7）的一侧连接；所述除尘装置（7）的上端通过第三管道（13）与所述二氧化碳吸收塔（8）一侧的下端连接；所述二氧化碳吸收塔（8）另一侧的上端通过第四管道（14）与所述等离子处理器（9）的上端连接；所述等离子处理器（9）的下端通过第五管道（15）连接所述风机（10）；所述风机（10）再通过所述第六管道（16）与所述热交换器（6）连接，进行热量回收后，所述热交换器（6）再通过第七管道（17）与所述集风罩（4）一侧的入口端（41）连接，将处理干净的带有一定温度的气体通入集风罩（4）样品腔（51）；所述能源动力系统由太阳能光伏系统构成，由太阳能光伏系统为本发明装置的各个部分提供动力。

2.根据权利要求1所述的太阳光二次反射回收碳纤维装置，其特征在于，所述反射光系统由5～30台反光装置构成，每台反光装置上设有若干块反光镜（1）。

3.根据权利要求1所述的太阳光二次反射回收碳纤维装置，其特征在于，所述二次聚光塔（2）由多面平面反光镜或者曲面镜构成，通过调节光路来满足聚光条件。

4.根据权利要求1所述的太阳光二次反射回收碳纤维装置，其特征在于，所述集风罩（4）为方形、圆形或者长方形结构。

5.根据权利要求1所述的太阳光二次反射回收碳纤维装置，其特征在于，所述碳纤维回收系统含有一个软件平台，所述软件平台控制的事项包括：样品处理、样品腔（51）温度的控制、3D样品移动平台（52）温度的控制、样品表面温度和处理时间的控制及复杂样品表面的控制。

6.利用权利要求1所述的太阳光二次反射回收碳纤维装置从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征在于，步骤（1）所述的碳纤维增强复合材料的尺寸和形状不受限制，能连续进行碳纤维的回收。

8.根据权利要求6所述的从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料的基体为热固性树脂。

9.根据权利要求5所述的从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征在于，步骤（3）所述的温度范围为400～550℃或者450～550℃。

10.根据权利要求5所述的从碳纤维增强高分子中回收碳纤维的方法，其特征在于，步骤（4）所述的辐照时间为30～180分钟或者30～60分钟。