CN108527730A - 一种碳纤维复合材料再资源化的装置及方法 - Google Patents

一种碳纤维复合材料再资源化的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种碳纤维复合材料再资源化的装置及方法，该装置包括输送单元和分解单元，输送单元将废弃的碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元，表面涂覆有氧化物半导体涂层的蜂窝载体运动由分解单元中的控制单元实现，并形成“蜂窝载体‑碳纤维增强树脂基复合材料‑蜂窝载体”夹心结构。待复合材料中的树脂基体分解完全后，输送单元将回收的碳纤维运出，同时下一个待回收的复合材料输送至分解单元。本发明装置具有高效、连续化、低污染特点，可产业化应用于高性能碳纤维材料的回收与再利用。

Description

一种碳纤维复合材料再资源化的装置及方法
技术领域
本发明涉及碳纤维增强树脂基复合材料回收与再生利用领域，具体涉及一种规模化地从废弃复合材料中回收高性能碳纤维的装置及方法。
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。废弃的CFRP中包含有连续、性能优异的碳纤维材料。因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亟需解决的技术难题。
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。化学回收方法常采用硝酸、苯甲醇等溶剂，会对环境产生负面影响，超临界流体虽能回收性能优异的长纤维，但目前仍处于实验室阶段。目前，热解法是唯一商业化回收CFRP的主流方法之一，但回收的碳纤维表面存在积碳，影响碳纤维的再资源化性能，而且工艺条件苛刻，能耗较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明基于热活化氧化物半导体产生空穴的基本原理，提出了可规模化、低成本回收碳纤维增强树脂基复合材料的装置及方法。
本发明解决技术问题采用如下方案：
本发明碳纤维复合材料再资源化的装置，由输送单元一、输送单元二和分解单元构成，输送单元一和输送单元二可独立设置，也可分别通过四个六角头螺栓与分解单元连接。所述分解单元由支架、两个电热管、两个蜂窝载体、排气单元、控制单元以及输气单元构成，所述蜂窝载体、排气单元和输气单元都固定在支架上，所述控制单元分别连接蜂窝载体及输气单元。废弃的碳纤维增强树脂基复合材料通过输送单元输送至分解单元中，其中输气单元开始供应O2，由控制单元对蜂窝载体进行运动控制，并形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构，由排气单元向外排出CO2和水分，待碳纤维增强树脂基复合材料分解完成后，夹心结构打开，输送单元将回收的碳纤维运出。
所述的两个输送单元均包括电机、减速器、传送带，所述电机固定在传送带一端，并与减速器通过联轴器连接，减速器与联轴器的滚筒芯轴通过联轴器连接。采用cc-56型棉帆布芯输送带，其运行速度为0.5m/s~1.0m/s；采用蜗轮蜗杆减速器，传动比为25~40；电机的额定功率为0.5kW~2kW，同步转速为1000r/min~2000r/min。
所述分解单元由支架、两个电热管、两个蜂窝载体、排气单元、控制单元以及输气单元构成。两个蜂窝载体、排气单元和输气单元均固定在支架上。所述控制单元分别连接蜂窝载体及输气单元。
所述的控制单元包括气缸、三位五通电磁阀、流量阀，由PLC或单片机来设定其运行程序。控制单元通过三位五通电磁阀和气缸与两个蜂窝载体连接来控制蜂窝载体运动，通过流量阀和输气单元相连接控制O2流量。
所述的输气单元包括气动快速接头、气管、气动三联件、储气罐。储气罐固定在支架上，通过气管和气动快速接头与气动三联件连接。气动快速接头将气路分为两路，一路通过气管将气动快速接头与流量阀连接，另一路气动三联件、三位五通电磁阀、气缸依次通过气管、气动快速接头连接。
所述的排气单元包括气泵、排气管。排气单元可独立设置，且排气单元的气泵与排气管直接相连。
所述的蜂窝载体以堇青石为材质，表面涂覆有氧化物半导体涂层，两个功率为9kW~15kW的U型电热管分别内置于两个蜂窝载体中。
本发明还公开了所述碳纤维复合材料再资源化的方法，具体步骤如下：
a、配置浸渍液并将其涂覆在蜂窝载体上，形成浸渍液涂层。
b、电热管通电加热，使蜂窝载体达到设定温度350℃-500℃。输送单元将废弃的碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元中，由三位五通电磁阀控制气缸对碳纤维增强树脂基复合材料夹持，并形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构，由PLC或单片机控制夹持时间为10min-20min。由储气罐通过流量阀向“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构输送50mL/min~200mL/min的O2。同时气泵通过排气管排出分解单元中产生的CO2和水分。
c、废弃的碳纤维增强树脂基复合材料分解完全后，气缸松开，输送单元将回收的碳纤维材料运出。
d、输送单元将下一个待回收的废弃碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元，重复上述步骤a、步骤b和步骤c。
所述的浸渍液是以丙酮、乙醇或异丙醇为溶解介质，以硝化纤维素为表面活化剂和分散剂，通过常规配比，将选自TiO2、ZnO、Cr2O3、NiO或Fe2O3等的氧化物半导体与溶解介质和硝化纤维素相均匀混合得到。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1、一定温度和时间下TiO2、Cr2O3等氧化物半导体将碳纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体分解为CO2和H2O，整个回收过程无有毒有害气体产生。
2、TiO2、Cr2O3等氧化物半导体涂敷在蜂窝载体上，形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心分解单元，回收时复合材料位于上下蜂窝载体的夹层之间，并由气缸控制蜂窝载体的运动，提高了回收效率。
3、输送单元与分解单元相组合，回收工艺简单，整个回收装置具自动化的特点，实现了碳纤维增强树脂基复合材料的连续化、规模化回收。
附图说明
图1是本发明碳纤维复合材料再资源化的装置示意图；
图1中标号：1输送单元一、2分解单元、3输送单元二；
图2是输送单元示意图；
图2中标号：101传送带、102减速器、103电机；
图3是分解单元示意图；
图3中标号：201支架；
图4是分解单元（不包括201支架）示意图；
图4中标号：202气泵、203排气管、204气缸、205“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构、206三位五通电磁阀、207气动快速接头、208气管、209气动三联件、210储气罐、211流量阀、2a排气单元、2b控制单元、2c输气单元；
图5是“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构示意图；
图5中标号：2051电热管、2052蜂窝载体、2053碳纤维增强树脂基复合材料。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种碳纤维复合材料再资源化的装置，由输送单元一1、分解单元2和输送单元二3构成。输送单元一和输送单元二可独立设置，也可分别通过四个六角头螺栓与分解单元连接。如图3和图4所示，分解单元2由支架201、电热管2051、蜂窝载体2052、排气单元2a、控制单元2b以及输气单元2c构成。蜂窝载体2052、排气单元2a和输气单元2c都固定在支架上，控制单元2b分别连接蜂窝载体2052及输气单元2c。
废弃的碳纤维增强树脂基复合材料通过输送单元一1输送至分解单元2中，输气单元2c开始供应O2，由控制单元2b对蜂窝载体2052进行运动控制，并形成如图5所示的“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构205，确保废弃的碳纤维增强树脂基复合材料2053能够与蜂窝载体2052表面充分接触。由排气单元2a向外排出回收过程产生的CO2和水分，待碳纤维增强树脂基复合材料2053分解完成后，夹心结构205开始打开，输送单元二3将回收的碳纤维运出。
如图2所示，输送单元一1和输送单元二3均包括电机103、减速器102、传送带101，电机103固定在传送带101的一端，并与减速器102通过联轴器连接，减速器102与联轴器的滚筒芯轴通过联轴器连接。采用cc-56型棉帆布芯输送带，其运行速度为0.5m/s~1.0m/s，采用蜗轮蜗杆减速器，传动比为25~40，电机的额定功率为0.5kW~2kW，同步转速为1000r/min~2000r/min。
如图4所示，排气单元2a包括气泵202和排气管203。控制单元2b包括气缸204、三位五通电磁阀206和流量阀211。由PLC或单片机来设定控制单元2b的运行程序，实现自动化运行。输气单元2c包括气动快速接头207、气管208、气动三联件209和储气罐210。控制单元2b通过三位五通电磁阀206和气缸204与两个蜂窝载体2052连接来控制蜂窝载体运动，通过流量阀211和输气单元2c相连接控制O2流量。储气罐210固定在支架201上，通过气管208和快速接头207与气动三联件209连接。快速接头207将气路分为两路，一路通过气管208将快速接头与流量阀211连接，另一路气动三联件209、三位五通电磁阀206、气缸204依次通过气管208、快速接头207连接。排气单元2a可独立设置，且排气单元的气泵202与排气管203直接相连。
如图5所示，以堇青石为材质的两个蜂窝载体2052表面涂覆有氧化物半导体涂层，功率为9kW~15kW的两只U型电热管2051分别内置于两个蜂窝载体2052中，减少了热量损失，提高了蜂窝载体的热量利用率。
实施例2
一种碳纤维复合材料再资源化的方法，（1）以乙醇为溶解介质，以硝化纤维素为表面活性剂和分散剂，加入氧化物半导体Cr2O3均匀混合得到浸渍液，其中氧化物半导体Cr2O3及硝化纤维素的质量和与乙醇的比例为1/10(g/mL)。
（2）将浸渍液均匀涂覆在如图5所示的蜂窝载体2052的表面，形成浸渍液涂层。电热管2051通电加热，使蜂窝载体2052达到并维持在设定温度350℃。如图1所示，输送单元一1将废弃的碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元2中。调节由图4所示的控制单元2b中的三位五通电磁阀206，控制气缸204对碳纤维增强树脂基复合材料2053的夹持。通过PLC或单片机设定三位五通电磁阀206的控制程序，控制夹持时间为10min。通过调节流量阀211控制O2流量，由储气罐210向“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构205输送50mL/min的O2。同时启动气泵202，通过排气管203将分解单元2中产生的CO2和水分及时排出，避免与分解单元2中所需的O2混合，有利于净化反应体系。
（3）待废弃的碳纤维增强树脂基复合材料分解完全后，气缸204松开，输送单元二3将回收的碳纤维材料运出。此时碳纤维增强树脂基复合材料中95%以上的树脂基已被完全分解，从而获得高性能的碳纤维材料。
（4）输送单元一1将下一个待回收的废弃碳纤维增强树脂基复合材料2053输送至分解单元2，重复以上步骤，实现高效率、连续化地回收碳纤维材料。
实施例3
采用与实施例2相同的方法回收处理碳纤维复合材料，其不同点在于，所述蜂窝载体的温度控制在500℃，控制夹持时间为20min，O2输送量为200mL/min。
本发明使用的浸渍液是以丙酮、乙醇或异丙醇为溶解介质，以硝化纤维素为表面活化剂和分散剂，通过常规配比，将选自TiO2、ZnO、Cr2O3、NiO或Fe2O3等的氧化物半导体与溶解介质和硝化纤维素相均匀混合得到的。其中氧化物半导体及硝化纤维素的质量和为溶解介质用量的1/50(g/mL)~1/10(g/mL)。本发明使用的浸渍液也可通过市售购得。
以上所述的具体实施实例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的一种实例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于，依次包括输送单元一（1）、分解单元（2）和输送单元二（3）；所述分解单元（2）由支架（201）、电热管（2051）、蜂窝载体（2052）、排气单元（2a）、控制单元（2b）以及输气单元（2c）构成；所述蜂窝载体、排气单元和输气单元均固定在支架上，所述控制单元分别连接蜂窝载体及输气单元；废弃的碳纤维增强树脂基复合材料通过输送单元一（1）输送至分解单元（2）中，输气单元（2c）开始供应O2，由控制单元（2b）对蜂窝载体（2052）进行运动控制，并形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构（205），由排气单元（2a）向外排除CO2和水分，待碳纤维增强树脂基复合材料分解完成后，夹心结构（205）打开，输送单元二（3）将回收的碳纤维材料运出。
2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于，所述的输送单元一（1）和输送单元二（3）均包括电机、减速器和传送带，所述电机固定在传送带一端，并与减速器通过联轴器连接，减速器与传送带的滚筒芯轴连接。
3.根据权利要求2所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于，采用cc-56型棉帆布芯输送带，其运行速度为0.5m/s~1.0m/s，采用蜗轮蜗杆减速器，传动比为25~40，电机（103）额定功率为0.5kW~2kW，同步转速为1000r/min~2000r/min。
4.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于：所述的排气单元（2a）包括气泵（202）、排气管（203）；排气单元可独立设置，且排气单元的气泵与排气管直接相连。
5.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于：所述的控制单元（2b）包括气缸（204）、三位五通电磁阀（206）、流量阀（211），由PLC或单片机来设定其运行程序；控制单元通过三位五通电磁阀和气缸与蜂窝载体连接来控制蜂窝载体运动，通过流量阀和输气单元相连接控制O2流量。
6.根据权利要求5所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于：所述的输气单元（2c）包括气动快速接头（207）、气管（208）、气动三联件（209）、储气罐（210）；所述储气罐固定在支架上，通过气管和气动快速接头与气动三联件连接；所述气动快速接头将气路分为两路，一路通过气管将快速接头与流量阀连接，另一路气动三联件、三位五通电磁阀、气缸依次通过气管、气动快速接头连接。
7.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料再资源化的装置，其特征在于：所述的蜂窝载体（2052）以堇青石为材质，表面涂覆有氧化物半导体涂层，所述电热管置于所述蜂窝载体中。
8.一种碳纤维复合材料再资源化的方法，其特征在于，按以下步骤处理：
a、配置浸渍液并将其均匀涂覆在蜂窝载体（2052）上，形成浸渍液涂层；
b、电热管（2051）通电加热，使蜂窝载体（2052）达到设定温度350℃-500℃；输送单元一（1）将废弃的碳纤维增强树脂基复合材料输送至分解单元（2）中，由三位五通电磁阀（206）控制气缸（204）对碳纤维增强树脂基复合材料夹持，并形成“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构（205），控制夹持时间为10min~20min；由储气罐（210）通过流量阀（211）向“蜂窝载体-碳纤维增强树脂基复合材料-蜂窝载体”夹心结构（205）输送50mL/min~200mL/min的O2；同时气泵（202）通过排气管（203）排出分解单元（2）中产生的CO2和水分；
c、废弃的碳纤维增强树脂基复合材料（2053）分解完全后，气缸（204）松开，输送单元二（3）将回收的碳纤维材料运出；
d、输送单元一（1）将下一个待回收的废弃碳纤维增强树脂基复合材料（2053）输送至分解单元（2），重复以上步骤a、步骤b和步骤c。
9.根据权利要求8所述的碳纤维复合材料再资源化的方法，其特征在于：所述的浸渍液包含氧化物半导体，以丙酮、乙醇或异丙醇为溶解介质，以硝化纤维素为表面活化剂和分散剂。
10.根据权利要求9所述的碳纤维复合材料再资源化的方法，其特征在于：所述的氧化物半导体选自TiO2、ZnO、Cr2O3、NiO、Fe2O3。
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