CN106750505A - 热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置，回收方法包括如下步骤：将氧化物半导体内置于分解炉中的分布板上，在进气口中通入氧气，过热氧气通过分布板中的小孔进入分解炉中，并与氧化物半导体充分接触，转变为热氧化物半导体；将废弃碳纤维增强树脂基复合材料送入分解炉中；处于悬浮、高速运动状态的热氧化物半导体与待分解的碳纤维增强树脂基复合材料充分、均匀接触，并对树脂基体产生分解效应；分解炉中余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理获得表面干净的碳纤维材料。该方法可以高效的从废弃的碳纤维增强树脂及复合材料中回收高性能碳纤维，也可用于去除复合材料结构件损伤区的树脂材料而又不损伤该处的纤维材料。

Description

热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置
技术领域
本发明涉及废旧碳纤维增强树脂基复合材料及其制品的回收与再生利用领域，具体涉及一种高效、高值、可产业回收碳纤维的方法及装置。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber-reinforced plastic. CFRP)因其优异的耐腐蚀、热稳定性、高强度和抗冲击性能，在航空航天、战略武器、交通、医疗器械、体育用品、风电等多个领域得到了广泛的应用。随着CFRP应用领域的不断扩大，废弃的CFRP量也随之增长，废弃的CFRP主要来源于生产过程中产生的边角料、残次品以及使用过程中破损的结构件，以及生命周期末端废弃的CFRP制品。据预测，全球废弃CFRP制品至2020年可达到5万吨，其中碳纤维2.5万吨，每100千克航空CFRP中就有大约60-70千克的碳纤维。CFRP具有三维交联网络结构，无法再次熔融和二次成型加工，使得其回收和再利用成为国内外先进复合材料行业共同面临的一个难题。
CFRP回收方法主要有机械物理法、能量回收法、热回收法和化学回收法。通过机械物理法回收的碳纤维长度变短、实用价值不高；能量回收法不能获得可利用的碳纤维和其它材料。通过热回收方法回收的碳纤维表面存在积碳，力学性能损失较大且易受到工艺参数的影响。化学回收方法常采用硝酸、苯甲醇、氨水、乙二醇等作为反应介质，但大量溶剂的使用会对环境产生负面影响。超临界流体作为一种新的CFRP化学回收方法，降低了溶剂对环境的影响性，但回收过程需要高温、高压条件，能耗较高，操作安全性较差，不易实现CFRP的产业化回收。
对于CFRP的回收与再生利用存在以下三个问题：
一、在现有回收方法中，可实现CFRP规模化回收的方法是热解法，但回收过程中产生的液相产物组分复杂，产物的后续处理困难，对环境二次污染严重；
二、应用能量回收法和机械回收法回收CFRP，CFRP的回收价值降低，不能获得连续并具有原有铺层结构的长纤维；
三、超临界流体虽能回收长纤维，目前只处于实验室阶段。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出采用热活化氧化物半导体回收碳纤维增强树脂基复合材料的方法与装置，回收高性能连续碳纤维，降低回收成本与环境影响性，实现碳纤维增强树脂基复合材料的产业化回收。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现：
本发明是一种热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法，回收方法包括如下步骤：
步骤1：将氧化物半导体内置于分解炉中的分布板上；
步骤2：在进气口中通入浓度为5 vol%-15 vol%的氧气，并通过预热单元产生350℃-500℃的过热氧气；
步骤3：过热氧气通过分布板中的小孔进入分解炉中，并与氧化物半导体充分接触，加热氧化物半导体到设定温度，此时氧化物半导体转变为热氧化物半导体；
步骤4：通过进料口将定量的废弃碳纤维增强树脂基复合材料送入分解炉中；
步骤5：处于悬浮、高速运动状态的热氧化物半导体与待分解的碳纤维增强树脂基复合材料充分、均匀接触，并对树脂基体产生分解效应，维持该分解反应10min-20min；
步骤6：分解过程中产生的CO2通过排气口排除，分解炉中余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理获得表面干净的碳纤维材料。
本发明的进一步改进在于：所述氧化物半导体为 Cr2O3或TiO2或Fe2O3或ZnO或NiO或α- Fe2O3或CuO或Cu2O半导体。
本发明的进一步改进在于：所述废弃碳纤维增强树脂基为PET或PP或PE或PVC或PS或ABS热塑性基体或环氧树脂、酚醛树脂热固性树脂基体。
本发明的进一步改进在于：所述步骤3中设定温度为350℃-500℃。
本发明的进一步改进在于：所述步骤4中，所述定量为碳纤维增强树脂基复合材料与氧化物半导体的质量比为5:1。
本发明一种热活化氧化物半导体回收碳纤维装置，装置包括带有进气口的进气管道，在进气管道的外侧设置有预热单元，进气管道与分解炉连接，在分解炉内设置有分布板，氧化物半导体至于分布板上，在分解炉的一侧设置有进料口，分解炉的上方设置排气口。
本发明的进一步改进在于：分布板的小孔的孔径为1μm-5μm，孔隙率为15%-30%。
本发明的有益效果是：1、TiO2、ZnO、Cr2O3、NiO、Fe2O3等氧化物半导体在热激发下（300℃-500℃）大量空穴，即通过热活化致使氧化物半导体产生空穴，形成的空穴具有优异的氧化分解能力，可用于热塑性或热固性树脂基体的分解；
2、热活化氧化物半导体回收复合材料过程中的副产物为CO2和H2O，产物组分简单，环境影响性小；
3、氧化物半导体材料可以多次循环使用，回收工艺简单，易于实现产业化；
4、热活化氧化物半导体也可用于有机物分解领域，如混杂材料（包含该金属和有机物）中有机物的分解，或复合材料结构修复领域，如采用该方法可有效去除复合材料结构件损伤区的树脂材料而又不损伤该处的纤维材料。
附图说明
图1是本发明热活化氧化物半导体回收碳纤维的装置示意图。
图2是分解炉局部示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结婚附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-2所示，本发明是一种热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法，所述回收方法包括如下步骤：
步骤1：将氧化物半导体4内置于分解炉5中的分布板3上；
步骤2：在进气口1中通入浓度为5 vol%-15 vol%的氧气，并通过预热单元2产生350℃-500℃的过热氧气；
步骤3：过热氧气通过分布板3中的小孔进入分解炉5中，并与氧化物半导体4充分接触，加热氧化物半导体4到设定温度，设定温度为350℃-500℃，此时氧化物半导体4转变为热氧化物半导体；
步骤4：通过进料口6将定量的废弃碳纤维增强树脂基复合材料送入分解炉5中，此步骤中所述定量为碳纤维增强树脂基复合材料与氧化物半导体的质量比为5:1；
步骤5：处于悬浮、高速运动状态的热氧化物半导体与待分解的碳纤维增强树脂基复合材料充分、均匀接触，并对树脂基体产生分解效应，维持该分解反应10min-20min；
步骤6：分解过程中产生的CO2通过排气口7排除，分解炉5中余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理获得表面干净的碳纤维材料。
其中：所述氧化物半导体为 Cr2O3或TiO2或Fe2O3或ZnO或NiO或α- Fe2O3或CuO或Cu2O半导体。
其中：所述废弃碳纤维增强树脂基为PET或PP或PE或PVC或PS或ABS热塑性基体或环氧树脂、酚醛树脂热固性树脂基体。
本发明是一种热活化氧化物半导体回收碳纤维装置，所述装置包括带有进气口1的进气管道，在所述进气管道的外侧设置有预热单元2，所述进气管道与分解炉5连接，在所述分解炉5内设置有分布板3，氧化物半导体4至于所述分布板3上，在所述分解炉5的一侧设置有进料口6，所述分解炉5的上方设置排气口7，分布板3的小孔的孔径为1μm-5μm，孔隙率为15%-30%。
实施例一
以碳纤维/环氧树脂复合材料为回收对象，采用Cr2O3半导体粉末为反应介质，其纯度为99%，比表面积为3m2/g。
步骤1：首先将Cr2O3半导体粉末4通过进料口6内置于分解炉5中的分布板3上；
步骤2：在进气口1中通入体积浓度为10%的氧气，并通过预热单元2产生400℃的过热氧气；
步骤3：过热氧气通过分布板3中的小孔，进入分解炉5中，并与Cr2O3半导体粉末4充分接触，由于传热效应，将Cr2O3半导体粉末4加热到400℃，此时Cr2O3半导体粉末4转变为热氧化物半导体，此时，分布板3的孔径为1μm，孔隙率为20%；
步骤4：通过进料口6将定量的废弃碳纤维增强树脂基复合材料送入分解炉5中；
步骤5：由于气流作用，Cr2O3半导体粉末4处于悬浮、高速运动状态，并与待分解的碳纤维增强树脂基复合材料充分、均匀接触，由于热活化致使Cr2O3半导体粉末4产生空穴，形成的空穴具有优异的氧化分解能力，对复合材料的树脂基体产生分解效应，维持该分解反应15min；
步骤6：分解过程中只产生CO2和H2O，产生的CO2通过排气口排除，分解炉中余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理即可获得表面干净的碳纤维材料。

Claims (7)

1.一种热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法，其特征在于：所述回收方法包括如下步骤：
步骤1：将氧化物半导体（4）内置于分解炉（5）中的分布板（3）上；
步骤2：在进气口（1）中通入浓度为5 vol%-15 vol%的氧气，并通过预热单元（2）产生350℃-500℃的过热氧气；
步骤3：过热氧气通过分布板（3）中的小孔进入分解炉（5）中，并与氧化物半导体（4）充分接触，加热氧化物半导体（4）到设定温度，此时氧化物半导体（4）转变为热氧化物半导体；
步骤4：通过进料口（6）将定量的废弃碳纤维增强树脂基复合材料送入分解炉（5）中；
步骤5：处于悬浮、高速运动状态的热氧化物半导体与待分解的碳纤维增强树脂基复合材料充分、均匀接触，并对树脂基体产生分解效应，维持该分解反应10min-20min；
步骤6：分解过程中产生的CO2通过排气口（7）排除，分解炉（5）中余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理获得表面干净的碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置，其特征在于：所述氧化物半导体为 Cr2O3或TiO2或Fe2O3或ZnO或NiO或α- Fe2O3或CuO或Cu2O半导体。
3.根据权利要求1所述热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置，其特征在于：所述废弃碳纤维增强树脂基为PET或PP或PE或PVC或PS或ABS热塑性基体或环氧树脂、酚醛树脂热固性树脂基体。
4.根据权利要求1所述热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置，其特征在于：所述步骤3中设定温度为350℃-500℃。
5.根据权利要求1所述热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法及装置，其特征在于：所述步骤4中，所述定量为碳纤维增强树脂基复合材料与氧化物半导体的质量比为5:1。
6.实现权利要求1所述热活化氧化物半导体回收碳纤维的方法的装置，其特征在于：所述装置包括带有进气口（1）的进气管道，在所述进气管道的外侧设置有预热单元（2），所述进气管道与分解炉（5）连接，在所述分解炉（5）内设置有分布板（3），氧化物半导体（4）至于所述分布板（3）上，在所述分解炉（5）的一侧设置有进料口（6），所述分解炉（5）的上方设置排气口（7）。
7.根据权利要求6所述热活化氧化物半导体回收碳纤维装置，其特征在于：分布板（3）的小孔的孔径为1μm-5μm，孔隙率为15%-30%。
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