CN105482154A - 基于感应发热效应从碳纤维增强高分子材料中回收碳纤维的方法 - Google Patents

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赵崇军
黄友富
葛正祥
巨佩雯
吴限
王圣琪
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    • C08J11/12—Recovery or working-up of waste materials of polymers by chemically breaking down the molecular chains of polymers or breaking of crosslinks, e.g. devulcanisation by dry-heat treatment only
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Abstract

本发明提供了一种从热固性树脂基碳纤维增强高分子材料中回收碳纤维的方法。本发明利用碳纤维良好的导电特性，通过高频感应加热的方式从热固性树脂基碳纤维增强高分子材料回收碳纤维。将碳纤维增强高分子材料置于电磁感应磁场中，并在碳纤维中产生涡流回路电流，碳纤维发热从而使高分子基体迅速降解，即可得到干净无损伤的、有序的碳纤维。该回收方法操作简单、处理时间短而有效、无机械损伤，碳纤维分离容易，得到的碳纤维能很好的保持其原有的排列顺序。

Description

基于感应发热效应从碳纤维增强高分子材料中回收碳纤维的方法
技术领域
本发明涉及一种利用电磁感应效应对碳纤维增强高分子材料进行回收处理的技术。
背景技术
近年来，碳纤维增强热固性高分子基高分子材料(CFRP)的应用愈加广泛，但因其含有不溶不熔的热固性树脂，其废弃物的有效处理已经成为一个技术难题。无论是基于经济还是环境方面考虑，从CFRP废弃物中回收碳纤维都极具吸引力。
到目前为止，从CFRP废弃物中回收碳纤维的方法主要有机械粉碎法、化学溶剂法、热裂解法、超临界法等。这些方法虽各具有优点，但都存在不足之处，例如：机械粉碎法最终只能得到高分子和碳纤维的混合碎屑，回收的附加值极低；超临界、热裂解法都需要专用的耐压或者耐高温装置，这些装置的使用将会显著增加回收碳纤维的成本，而回收碳纤维的价格是决定其未来市场的最重要的因素之一。虽然普通的化学溶剂法不需要专用的装置，只要简单的加热装置就行，但这种方法在处理后会得到溶有高分子的有机溶剂废液或者硝酸废液，废液的处理增加了回收的成本，而处理不当，会产生“二次污染”。同时上述方法在操作程序上存在不同程度的繁复性，因此寻找一种更加简单而且有效的回收方法，仍是当前解决有效回收CFRP废弃物的主要目标。
目前，碳纤维的所有的回收方法（机械粉碎法除外）都需要热辅助作用，只是加热方式不同。现有的技术中采用的都是“外加热方式”——通过加热外部介质（溶剂或者热空气）来实现CFRP的处理，这种方式对于薄的、小的样品很有利，但是对于厚的、大的样品来说，需要很长的处理时间，这样会造成外部的CFRP或碳纤维被损坏，而内部的高分子尚未被完全处理掉；同时，热处理的时间延长会明显降低碳纤维的性能；另外，这种方法处理得到的碳纤维不能保持原有的排列顺序，不利于再加工利用。因此CFRP的回收处理应加快处理过程，缩短处理时间，同时尽可能保持碳纤维原有的排序，因为有序的碳纤维可以大幅度提高其性能。
利用碳纤维的导电性，对于具有规则形状的CFRP材料，可将其接入常规电路中使碳纤维自发热进行回收处理。但是对于小块的和形状不规则的CFRP材料，很难将其接入常规电路中，利用自发热效应来处理。
发明内容
针对上述不足，本专利提出一种利用电磁感应效应回收碳纤维的技术：通过电磁感应效应使CFRP（小块和形状不规则的CFRP）材料中导电碳纤维产生“微区涡流回路”和“涡流回路电流”，在涡流回路电流作用下，碳纤维发热并迅速“从内而外”降解高分子基体，在几秒至几分钟内，便可得到洁净的、分离的、表面无损伤、保持原有排序的碳纤维。
本发明的技术解决方案如下：
一种利用CFRP中碳纤维在电磁感应下产生感应电流，引起自发热来实现对碳纤维增强高分子材料回收碳纤维的方法，包括如下步骤：
(1)选取若干小块的CFRP废料，装入感应器的熔炉内（如图1），调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP废料处理1s-60min后，树脂基体因碳纤维的感应电流自发热而发生明显的热降解，回收得到碳纤维材料；
或
选取一根CFRP（宽、窄）条，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP平整放在U型或方型线圈中（如图2），CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉，从而得到干净无损的碳纤维材料；对于CFRP长条，可以调控CFRP缓慢通过线圈的速率，使其完全处理得到长的碳纤维；
或
选取一块CFRP板材，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP长条平整放在感应器的托盘线圈上（如图3）；1s-60min，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉；不断移动样品各部位从托盘部位缓慢通过，从而完全处理CFRP，得到干净无损、有序的碳纤维材料；
或
选取一小块CFRP，或者选取一不规则形状的CFRP，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP平整放在（如图3）中的感应器的托盘线圈上，数秒至数分钟后，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉；
或
选取一根CFRP管材，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP管材伸入感应器的环形线圈内或将CFRP管材套在感应器的金属加热件外（如图4）；处理1s-60min后，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而发生热降解，从而获得有序、干净、无损的碳纤维材料。
本发明专利的CFRP废料处理回收方法操作简单易控、处理速度快而有效，能回收得到表面无损、有序的碳纤维。对于难以接入常规电路中的CFRP的回收处理具有独特的优势。
附图说明
图1利用电磁感应从CFRP小块废料中回收碳纤维的示意图。
图2利用电磁感应从CFRP板材中回收碳纤维的示意图。
图3利用电磁感应从CFRP板材中回收碳纤维的示意图。
图4利用电磁感应从CFRP管材中回收碳纤维的示意图。
图5利用图1中的方法处理CFRP前后的数码照片。
图6利用图1中的方法处理CFRP后得到的碳纤维的SEM图。
图7利用图3中的方法处理CFRP前后的数码照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
按照图1中的方法回收碳纤维，具体为：选取若干小块(15mm×4mm×3mm~50mm×10mm×3mm)的CFRP废料，装入感应器的熔炉内，调节电磁感应器的电压为7KV，电流为13A，将CFRP废料处理30min后，树脂基体发生热降解，从而得到干净、有序、无损的碳纤维材料。
实施例2
按照图2中的方法回收碳纤维，具体为：选取一根尺寸为300mm×10mm×3mm的CFRP长条，调节感应器的电压为10KV，电流为28A，将CFRP平整的放在感应器的线圈内，处理5min后，CFRP层间松散开来（如图5所示），树脂基体被热降解，从而得到干净、有序、无损的碳纤维材料。图6是处理后得到的碳纤维的SEM图，可以看出：在该条件下回收的碳纤维表面树脂残留极少，表面无损伤。
实施例3
按照图3中的方法回收碳纤维，具体为：选取一块尺寸为100mm×50mm×10mm的CFRP厚片，调节感应器的电压和电流，将CFRP板材放在感应器的线圈托盘上，在短短的2-3s后，CFRP的树脂基体即开始发热降解，处理前后的CFRP样品如图7所示。
实施例4
按照图4中的方法回收碳纤维，具体为：选取一根CFRP实心管材，高50mm，半径为20mm，将其伸入感应器的环形线圈内，调节感应器的电压为40KV，电流为18A，将CFRP板材放在感应器的线圈托盘上，处理11min后，CFRP的树脂基体即开始发热降解，得到从而得到干净、有序、无损的碳纤维材料。

Claims (5)

1.一种利用CFRP中碳纤维在电磁感应下产生感应电流，引起自发热来实现对碳纤维增强高分子材料回收碳纤维的方法，包括如下具体实施方法：
选取若干小块的CFRP废料，装入感应器的熔炉内，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP废料处理1s-60min后，树脂基体因碳纤维的感应电流自发热而发生明显的热降解，回收得到碳纤维材料；
或
选取一根CFRP（宽、窄）条，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP平整放在U型或方型线圈中，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉，从而得到干净无损的碳纤维材料；对于CFRP长条，可以调控CFRP缓慢通过线圈的速率，使其完全处理得到长的碳纤维；
或
选取一块CFRP板材，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP长条平整放在感应器的托盘线圈上；1s-60min，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉；不断移动样品各部位从托盘部位缓慢通过，从而完全处理CFRP，得到干净无损、有序的碳纤维材料；
或
选取一小块CFRP，或者选取一不规则形状的CFRP，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP平整放在中的感应器的托盘线圈上，数秒至数分钟后，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而被热降解掉；
或
选取一根CFRP管材，调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A），将CFRP管材伸入感应器的环形线圈内或将CFRP管材套在感应器的金属加热件外；处理1s-60min后，CFRP中的树脂基体因碳纤维产生感应电流的自发热效应而发生热降解，从而获得有序、干净、无损的碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的回收碳纤维的方法，其特征在于，对于不同形状的CFRP样品可采用不同的电磁感应容器进行碳纤维回收处理。
3.根据权利要求1所述的回收碳纤维的方法，其特征在于，通过CFRP样品中的碳纤维产生的感应电流而发生自发热效应，从而降解树脂基体。
4.根据权利要求1所述的回收碳纤维的方法，其特征在于，可通过调节电磁感应器的电压（2KV-50KV）和电流（3A-50A）处理CFRP。
5.根据权利要求1所述的回收碳纤维的方法，其特征在于，从CFRP中回收得到的碳纤维是有序的。
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