CN108610507A - 一种高效回收碳纤维的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效回收碳纤维的方法，所述方法包括以下步骤：S1、将废弃的碳纤维复合材料置于微波腔室中，在惰性气体气氛中利用微波加热进行热解反应，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；S2、将半成品碳纤维置于微波腔室中，在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，得到无残碳残留的碳纤维。本发明大大降低了碳纤维的表面残碳量，提高了碳纤维的表面含氧量，能够保持良好的机械性能。

Description

一种高效回收碳纤维的方法

技术领域

本发明涉及纤维复合材料技术领域，特别是涉及一种高效回收碳纤维的方法。

背景技术

现有技术中碳纤维复合材料回收碳纤维包括流化床法、热解法和溶剂法等，其中：

流化床法，利用热空气将树脂氧化溶解，并且再反应器中纤维会与沙子产生摩擦，其会使纤维长度变短，表面收到伤害，机械性能下降。且流化床回收只能用来回收长度较短的纤维，长纤维会因为在设备中扰动而缠在一起，无法分离，进而导致实验设备损坏；

热解法，在惰性气体环境中对废弃的碳纤维复合材料进行加热，获得可以直接再利用的回收碳纤维，工艺简单易操作，但是产物残碳残留严重；

溶剂法，利用化学溶剂溶解碳纤维复合材料基体树脂，所获得的回收碳纤维几乎没有树脂残留，但是该方法需要针对不同的树脂基体使用特定种类的溶剂，而且通常在高温高压环境下进行，成本高且强酸，有机溶剂等易对环境产生污染。

除了上述三种传统的回收方法外，现有技术中还公开了通过微波实现碳纤维的回收方法，微波加热可解决传统热解法中加热不均、效率低的问题。如公开号为CN105199139A的中国专利公开了一种碳纤维复合材料回收方法，其在微波炉中填充有惰性气体，碳纤维复合材料在微波炉内发生降解反应得到固态的碳纤维回收物；公开号为CN104262675A的中国专利公开了一种碳纤维复合材料回收碳纤维的方法，其在保护气氛(惰性气体或惰性气体与氧气的混合气体)中，对碳纤维复合材料进行辐照加热处理，使碳纤维复合材料在微波炉内发生降解反应，获得固态产物即为回收后的碳纤维；公开号为CN107216480A的中国专利公开了一种低温微波高效处理碳纤维复合材料回收碳纤维的方法，其在氧气或含氧混合气体中馈入微波使树脂有机物在低温下发生氧化燃烧，实现碳纤维的回收。

但CN105199139A和CN104262675A中通过微波热解法回收的碳纤维表面含碳量较高、含氧量较低，CN107216480A中树脂降解产生的残碳无法去除，回收碳纤维粘结严重，由此影响了碳纤维的机械性能。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种高效回收碳纤维的方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高效回收碳纤维的方法，该方法所回收得到的碳纤维具有效率高、表面残碳量低、表面含氧量高的优点。

为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：

一种高效回收碳纤维的方法，所述方法包括以下步骤：

S1、将废弃的碳纤维复合材料置于微波腔室中，在惰性气体气氛中利用微波加热进行热解反应，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；

S2、将半成品碳纤维置于微波腔室中，在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，得到无残碳残留的碳纤维。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中热解反应的反应温度为300℃-600℃，反应时间为1min-60min。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中残碳氧化的反应温度为100℃-600℃，反应时间为1min-60min。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中热解反应还包括：

向微波腔室通入惰性气体5min-10min，排空微波腔室中原有的空气。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中的有氧气氛包括氧气，氧气的体积百分比为0.1vol％-25vol％。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的微波腔室和步骤S2中的微波腔室为同一微波腔室，微波腔室包括用于通入惰性气体的第一进气口和通入有氧气体的第二进气口。

作为本发明的进一步改进，所述方法还包括：

关闭第二进气口，在第一进气口中通入惰性气体以在微波腔室中形成惰性气体气氛；和/或

关闭第一进气口，在第二进气口中通入有氧气体以在微波腔室中形成有氧气氛。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1前还包括：

将废弃的碳纤维复合材料切碎成尺寸为5-50cm的碎片。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1前还包括：

清洗废弃的碳纤维复合材料。

本发明的有益效果是：

两步微波加热法回收碳纤维工艺简单可行，两个步骤通过切换气体即可实现，回收效率高；

回收的碳纤维干净松散，表面光洁完整，解决了碳纤维粘结严重的问题；

本发明大大降低了碳纤维的表面残碳量，提高了碳纤维的表面含氧量，能够保持良好的机械性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中碳纤维复合材料回收碳纤维的工艺流程图；

图2为本发明实施例1中回收得到的碳纤维的表面形貌图；

图3为本发明实施例1中原生碳纤维的表面形貌图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参图1所示，本发明公开了一种高效回收碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：

S1、将废弃的碳纤维复合材料置于微波腔室中，在惰性气体气氛中利用微波加热进行热解反应，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维。

优选地，该步骤中惰性气体气氛为氮气气氛等，热解反应的反应温度为300℃-600℃，反应时间为1min-60min。

进一步地，首先向微波腔室通入惰性气体5min-10min，以排空微波腔室中原有的空气，保证热解反应在惰性气体气氛中进行。

S2、将半成品碳纤维置于微波腔室中，在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，得到无残碳残留的碳纤维。

优选地，该步骤中有氧气氛包括氧气，氧气的体积百分比为0.1vol％-25vol％，残碳氧化的反应温度为100℃-600℃，反应时间为1min-60min。

进一步地，本发明步骤S1中的微波腔室和步骤S2中的微波腔室为同一微波腔室，微波腔室包括用于通入惰性气体的第一进气口和通入有氧气体的第二进气口。在步骤S1中，首先关闭第二进气口，在第一进气口中通入惰性气体以在微波腔室中形成惰性气体气氛；在步骤S2中，关闭第一进气口，在第二进气口中通入有氧气体以在微波腔室中形成有氧气氛。

优选地，本发明的步骤S1前还包括：

清洗废弃的碳纤维复合材料，并将废弃的碳纤维复合材料切碎成尺寸为5-50cm的碎片。

本发明采用两步微波加热法回收碳纤维，为一种新型回收方式。第一步在惰性气体气氛中利用微波加热进行热解反应，加热效率高，时间短，成本低，节省能量，而且不受物料尺寸限制。在完成第一步热解后，切换气体即可在有氧气氛中进行残碳氧化，操作方便，产物即为干净、松散可直接再利用的回收碳纤维。

本发明中的微波加热升温速快，可达到50-100℃/min，不受升温速率限制，可以增加有效热解时间，减少升温时间，整体减少处理时间，节约能源。传统加热中关闭加热源后，尤其是当温度很高时，仍有一部分热会传递到物体，微波加热则是当停止微波源后，物体自身不会在发热。因此本发明可以解绝传统加热热惯性大的问题，避免碳纤维因过度加热造成机械性能下降的问题。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

S1、将废弃的碳纤维复合材料清洗并切碎成尺寸为5-50cm的碎片后置于微波腔室中，通入氮气5min排空微波腔室中的空气，而后在氮气气氛中利用微波加热进行热解反应，反应温度为500℃，反应时间为30min，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；

S2、关闭氮气，向微波腔室中通入氧气体积百分比10％的有氧气体，半成品碳纤维在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，反应温度为400℃，反应时间为30min，得到无残碳残留的碳纤维。

实施例2：

S1、将废弃的碳纤维复合材料清洗并切碎成尺寸为5-50cm的碎片后置于微波腔室中，通入氮气5min排空微波腔室中的空气，而后在氮气气氛中利用微波加热进行热解反应，反应温度为400℃，反应时间为40min，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；

S2、关闭氮气，向微波腔室中通入氧气体积百分比20vol％的有氧气体，半成品碳纤维在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，反应温度为300℃，反应时间为40min，得到无残碳残留的碳纤维。

实施例3：

S1、将废弃的碳纤维复合材料清洗并切碎成尺寸为5-50cm的碎片后置于微波腔室中，通入氮气10min排空微波腔室中的空气，而后在氮气气氛中利用微波加热进行热解反应，反应温度为600℃，反应时间为20min，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；

S2、关闭氮气，向微波腔室中通入氧气体积百分比25vol％的有氧气体，半成品碳纤维在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，反应温度为300℃，反应时间为40min，得到无残碳残留的碳纤维。

上述各实施例中的碳纤维回收效率高，经过残碳氧化后降低了表面残碳量，提高了表面含氧量。

上述个实施例中，回收的碳纤维复合材料含有约3-5％的残碳，且温度越高，处理时间越长，残碳量越少。经过第二步氧化后，残碳可以基本完全去除，回收获得松散的碳纤维。

参图2、图3所示分别为实施例1中回收得到的碳纤维和原生碳纤维的表面形貌图，可见本发明回收得到的碳纤维干净松散，表面光洁完整。根据BSISO 11566，对上述实施例中获得的碳纤维进行机械强度测试，结果表明，所得的碳纤维可以保持原生碳纤维70％以上的机械性能。

由以上技术方案可以看出，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

两步微波加热法回收碳纤维工艺简单可行，两个步骤通过切换气体即可实现，回收效率高；

回收的碳纤维干净松散，表面光洁完整，解决了碳纤维粘结严重的问题；

本发明大大降低了碳纤维的表面残碳量，提高了碳纤维的表面含氧量，能够保持良好的机械性能。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种高效回收碳纤维的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、将废弃的碳纤维复合材料置于微波腔室中，在惰性气体气氛中利用微波加热进行热解反应，得到表面有残碳残留的半成品碳纤维；

S2、将半成品碳纤维置于微波腔室中，在有氧气氛中利用微波加热进行残碳氧化，得到无残碳残留的碳纤维。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中热解反应的反应温度为300℃-600℃，反应时间为1min-60min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中残碳氧化的反应温度为100℃-600℃，反应时间为1min-60min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中热解反应还包括：

向微波腔室通入惰性气体5min-10min，排空微波腔室中原有的空气。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中的有氧气氛包括氧气，氧气的体积百分比为0.1vol％-25vol％。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中的微波腔室和步骤S2中的微波腔室为同一微波腔室，微波腔室包括用于通入惰性气体的第一进气口和通入有氧气体的第二进气口。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

关闭第二进气口，在第一进气口中通入惰性气体以在微波腔室中形成惰性气体气氛；和/或

关闭第一进气口，在第二进气口中通入有氧气体以在微波腔室中形成有氧气氛。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：

将废弃的碳纤维复合材料切碎成尺寸为5-50cm的碎片。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1前还包括：

清洗废弃的碳纤维复合材料。