CN110951158A - 一种再生废旧塑料制备的热塑性复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其是以热固性复合材料中回收的碳纤维与回收塑料粒子增强增韧而制得，其具体由如下质量百分比的原料制得：回收碳纤维5～45；载体25～64；回收塑料粒10～30；添加剂1～20。本发明还公开了其制备方法，通过回收热固性复合材料中的碳纤维、处理废旧塑料、双螺杆挤出、造粒等步骤，得到废旧塑料增强用回收碳纤维母粒成品。本发明通过对于废旧热固性复合材料中特定材料的回收和增强增韧工艺，解决废旧塑料循环再利用性能下降的问题，同时将昂贵的碳纤维进行回收和利用，该方法便捷高效、易于产业化；所制得的废旧塑料再生增强增韧型回收碳纤维热塑性复合材料综合性能好，可广泛应用于工业领域，减轻环保压力。

Description

一种再生废旧塑料制备的热塑性复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及废旧塑料回收技术领域，具体涉及一种以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备的热塑性复合材料及其制备方法。
背景技术
塑料作为一种广泛应用的化工产品，在给人类日常生活带来便捷的同时，由于其自身难以降解的弱点，给地球环境和环保要求带来了极大的挑战。废旧塑料如得不到合理的安置，会带来严重的环境污染等问题，同时造成巨大的资源浪费。目前我国塑料总消费量占世界总量的1/4，但是回收利用率却很低，远远落后于欧美国家和日本。因此，针对废旧塑料的再生利用及其产业化发展，应予以大力支持。
将废旧塑料分类回收，并通过适当的方式对其进行物理改性或化学改性提高废旧塑料的性能，然后再得到其颗粒料，这是废旧塑料回收利用技术中重要的一步。与传统直接填埋或焚烧等工艺相比，废旧塑料回收再利用方法能够通过改性、掺杂的方法替代塑料工业中一部分新料，不仅可以降低企业成本，而且是一种有效的资源循环利用方法，提高了废旧塑料的附加值。
碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是以碳纤维为增强体、树脂为基体的一种复合材料，基体通常为热固性树脂或热塑性树脂。CFRP复合材料由于其比强度高、比刚度高、耐腐蚀性能好等优良性能，在航空航天、运动器材、交通工具等领域具有广泛的工程应用并稳步增长。预计到2020年，全球对碳纤维的需求量将达到11.2万吨，其中60％以上将应用在工业领域。
CFRP产量的增加同时也带来了废弃物的增加，在碳纤维复合材料的生产、制备、装配以及设备维护更替的过程中，将生产将占总量30％～50％废料，产生大量的CFRP废弃物。而且CFRP废弃物耐腐蚀性和耐候性很高，不易分解，直接填埋或焚烧都会对环境造成较大的压力。采用上述两种方式也会对昂贵的碳纤维资源造成浪费。其中碳纤维热固性复合材料较碳纤维热塑性复合材料更难回收，由于热固性树脂一旦成型不熔不溶，因而碳纤维热固性复合材料回收再利用难度高，开发成本和技术要求更高，难以产业化。
发明内容
针对上述不足，本发明的目的在于提供一种再生废旧塑料制备热塑性复合材料及其制备方法，通过对于废旧热固性复合材料中特定材料的回收和增强增韧工艺，解决废旧塑料循环再利用性能下降的问题，同时将昂贵的碳纤维进行回收和利用，该方法便捷高效、易于产业化；所制得的废旧塑料再生增强增韧型回收碳纤维热塑性复合材料综合性能好，可广泛应用于工业领域。
本发明为达到上述目的，所采用的技术方案是：
一种再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特在于，其是以热固性复合材料中回收的碳纤维与回收塑料粒子增强增韧而制得，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure BDA0002313321150000021
其中，所述的回收塑料粒子，是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚砜和聚醚醚酮中的一种或者几种的组合。
所述的载体，是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚砜和聚醚醚酮中的一种或者几种的组合。
所述添加剂包括分散剂、抗氧剂、以及偶联剂；其中，所述分散剂是聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、EVA腊中的一种；所述抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂TNP和抗氧剂MB中的一种或几种的组合；所述偶联剂是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂的一种。
一种前述再生废旧塑料制备的热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维：从热固性复合材料中回收碳纤维；
(2)回收废旧塑料：从热固性复合材料中回收废旧塑料、造粒；
(3)按照如下质量百分比准备原料：
Figure BDA0002313321150000031
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出(反应温度160～390℃螺杆转速为150～300r/min)；
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
所述步骤(1)回收碳纤维的具体包括如下步骤：
A.将从运动器材、渔具、汽车以及飞机中回收的碳纤维热固性复合材料进行物理机械破碎至(1～10μm)微米级碎料；其中所回收的碳纤维形态为连续纤维、长纤维、短纤维、粉末纤维中一种或者几种的组合，热固性树脂基体为环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸树脂；
B.取步骤A中的破碎料通过有机溶剂处理，辅以搅拌、超声、辐射等方式，烘干后制得回收碳纤维；该有机溶剂为乙醇、水、丙酮、酸(硝酸、硫酸、盐酸、乙酸等)、碱(氢氧化钾、氢氧化钠等)、氧化剂(双氧水等)或者其他胺类醇类溶液中的一种或几种的组合。
所述步骤(2)回收废旧塑料、造粒的具体步骤包括：
A.将从汽车、塑料瓶、塑料薄膜、塑料袋、玩具、家用电器、日用品等中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用溶剂浸泡，干燥后造粒，制得回收塑料粒子；该溶剂为水、乙醇、丙酮、乙酸、氢氧化钠、氢氧化钾等中的一种或者几种的组合。
本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的再生废旧塑料制备热塑性复合材料及其制备方法，通过对于废旧热固性复合材料中特定材料的回收和增强增韧工艺，解决废旧塑料循环再利用性能下降的问题，同时将昂贵的碳纤维进行回收和利用，该方法便捷高效、易于产业化；所制得的废旧塑料再生增强增韧型回收碳纤维热塑性复合材料综合性能好，可广泛应用于工业领域。
(2)本发明将回收再利用废弃的塑料加入到复合材料中，可解决含有碳纤维的热固性复合材料回收再利用的问题，降低成本，减轻环保压力，助力材料行业的可持续发展。
上述是发明技术方案的概述，以下结合具体实施方式，对本发明做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达到预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合较佳实施例，对本发明的具体实施方式详细说明。
实施例1
本发明实施例提供的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其是以热固性复合材料中回收的碳纤维与回收塑料粒子经增强增韧工艺而制得，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure BDA0002313321150000041
具体的，本实施例中：
Figure BDA0002313321150000042
Figure BDA0002313321150000051
前述以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维的制备：
A.将从渔具、运动器材中回收的碳纤维/环氧树脂热固性复合材料物理破碎至(1～10μm)微米级碎料后在180℃下浸泡在体积分数为70％的乙酸水溶液2h并烘干；
B.取步骤A中所得初步处理的复合材料，用过氧化氢和丙酮混合溶液在120℃、1.2MPa下加热2h，烘干后制得回收碳纤维。
(2)回收废旧塑料的制备：
A.将从汽车、家电中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用丙酮溶液浸泡，干燥后造粒，制得回收聚丙烯塑料粒子。
(3)准备原料，所述原料为(按质量百分比)：
Figure BDA0002313321150000052
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出；(反应温度180～195℃螺杆转速为150r/min)
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
实施例2：
本发明实施例提供的以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料及其制备方法，与实施例1基本上相同，其不同之处在于：
本发明实施例提供的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure BDA0002313321150000061
该再生废旧塑料制备的热塑性复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维的制备：
A.将从汽车、飞机中回收的碳纤维/酚醛树脂复合材料物理破碎至(1～10μm)微米级碎料后用过饱和蒸汽进行处理，溶解部分树脂；
B.取步骤A中所得处理过的复合材料浸润在丙酮溶液中，且于50℃下超声1小时后烘干，制得回收碳纤维。
C.对回收碳纤维进行电化学表面处理,在碳纤维表面引入活性基团比如-C-OH和-COOH，制得表面修饰回收碳纤维。
(2)回收废旧塑料的制备：
A.将从玩具、日用品中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用乙酸溶液浸泡并用水多次冲洗，干燥后造粒，制得回收聚碳酸酯塑料粒子。
(3)准备原料，所述原料包括(按质量百分比)：
Figure BDA0002313321150000071
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出；(反应温度210～240℃螺杆转速为200r/min)
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
实施例3
本发明实施例提供的以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料及其制备方法，与实施例1、2基本上相同，其不同之处在于：
本发明实施例提供的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure BDA0002313321150000081
该以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维的制备：
A.将从飞机中回收的碳纤维/聚酰亚胺复合材料物理破碎至(1～10μm)微米级碎料后置于熔融氢氧化钾的反应器中，温度控制在285～330℃之间，反应完全后冷却至室温；
B.取步骤A中处理过的碳纤维复合材料用水和丙酮清洗数次后真空干燥，制得回收碳纤维。
(2)回收废旧塑料的制备：
A.将从农用薄膜、塑料瓶中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用乙醇溶液浸泡，干燥后造粒，制得回收聚乙烯塑料粒子。
(3)准备原料，所述原料包括(按质量百分比)：
Figure BDA0002313321150000091
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出；(反应温度160～190℃螺杆转速为150r/min)
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
实施例4
本发明实施例提供的以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料及其制备方法，与实施例1-3均基本上相同，其不同之处在于：
本发明实施例提供的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure BDA0002313321150000092
Figure BDA0002313321150000101
上述以热固性复合材料中回收碳纤维增强增韧再生废旧塑料制备热塑性复合材料的方法，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维的制备：
A.将从飞机上回收的碳纤维/双马来酰亚胺复合材料进行物理机械破碎至(1～10μm)微米级破碎料后，置于高压反应釜中，加入过量的10％浓度的氯化锌乙醇溶液，反应温度为190℃，反应时间7.5h；
B.将步骤A中处理得到的复合材料冷却至室温后烘干，制得回收碳纤维。
C.对制得回收碳纤维进行表面改性，制得表面改性碳纤维。
(2)回收废旧塑料的制备：
A.将从薄膜、飞机中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用氢氧化钠和丙酮溶液浸泡，干燥后造粒，制得回收聚酰亚胺塑料粒子。
(3)准备原料，所述原料包括(按质量百分比)：
Figure BDA0002313321150000102
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出；(反应温度360～390℃螺杆转速为300r/min)
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
需要说明的是，上述各实施例对于原料具体组分及比例的选择，仅代表一些实例，在其他实施例中，可以在本发明记载的范围内，根据需要选择其他的具体组分和比例，均可以达到本发明记载的技术效果。因此，本发明实施例不再一一将其列出。
应用实施例1
对实施例1～4所制得的废旧塑料再生增强型回收碳纤维热塑性复合材料的导热系数以及表面电阻率进行测试，结果如下表所示。
样品 弹性模量/GPa 冲击强度/kJ/m<sup>2</sup>
实施例1 1.53 6.6
实施例2 2.81 72.8
实施例3 0.98 12.4
实施例4 4.33 30.5
可见本发明实施例1～4所制得的废旧塑料再生增强增韧型回收碳纤维热塑性复合材料具有良好力学性能，达到了新材料的水平。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故采用与本发明上述实施例相同或近似的技术特征，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特在于，其是以热固性复合材料中回收的碳纤维与回收塑料粒子增强增韧而制得，其具体由如下质量百分比的原料制得：
Figure FDA0002313321140000011
2.如权利要求1所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述回收塑料粒子，是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚砜和聚醚醚酮中的一种或者几种的组合。
3.如权利要求1所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述的载体，是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚甲醛、聚苯硫醚、聚醚砜和聚醚醚酮中的一种或者几种的组合。
4.如权利要求1所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述添加剂包括分散剂、抗氧剂、以及偶联剂；其中，所述分散剂是聚乙烯蜡、聚丙烯蜡、EVA腊中的一种；所述抗氧剂是抗氧剂1010、抗氧剂168、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂TNP和抗氧剂MB中的一种或几种的组合；所述偶联剂是硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂的一种。
5.一种权利要求1～4之一所述再生废旧塑料制备的热塑性复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)回收碳纤维：从热固性复合材料中回收碳纤维；
(2)回收废旧塑料：从热固性复合材料中回收废旧塑料、造粒；
(3)按照如下质量百分比准备原料：
Figure FDA0002313321140000012
Figure FDA0002313321140000021
(4)将所述步骤(3)中的载体以及添加剂投入高速混合机中，混合5min，得到混合物A；
(5)将所述步骤(4)得到的混合物A从主喂料口加入双螺杆挤出机中，将所述步骤(1)中的回收碳纤维从侧喂料口加入双螺杆挤出机中，通过双螺杆挤出机熔融挤出(反应温度160～390℃螺杆转速为150～300r/min)；
(6)经拉条、冷却、切粒、干燥处理，得到废旧塑料增强增韧用回收碳纤维母粒成品。
6.如权利要求5所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述步骤(1)回收碳纤维的具体包括如下步骤：
A.将从运动器材、渔具、汽车以及飞机中回收的碳纤维热固性复合材料进行物理机械破碎至(1～10μm)微米级碎料；
B.取步骤A中的破碎料通过有机溶剂处理，辅以搅拌、超声、辐射等方式，烘干后制得回收碳纤维。
7.如权利要求6所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述步骤A中取用的回收碳纤维形态为连续纤维、长纤维、短纤维、粉末纤维中一种或者几种的组合，热固性树脂基体为环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺、酚醛树脂、氰酸树脂。
8.如权利要求6所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述步骤B中使用的有机溶剂为乙醇、水、丙酮、酸(硝酸、硫酸、盐酸、乙酸等)、碱(氢氧化钾、氢氧化钠等)、氧化剂(双氧水等)或者其他胺类醇类溶液中的一种或几种的组合。
9.如权利要求5所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述步骤(2)回收废旧塑料、造粒的具体步骤包括：
A.将从汽车、塑料瓶、塑料薄膜、塑料袋、玩具、家用电器、日用品等中回收的废旧塑料进行分选，清洗，物理机械破碎；
B.取步骤A中的破碎料用溶剂浸泡，干燥后造粒，制得回收塑料粒子。
10.如权利要求9所述的再生废旧塑料制备的热塑性复合材料，其特征在于，所述步骤B中使用的有机溶剂为水、乙醇、丙酮、乙酸、氢氧化钠、氢氧化钾等中的一种或者几种的组合。
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