CN113843920B - 一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法，包括制备纤维增强复合材料气瓶、复合材料气瓶回收预处理、磁性纤维末端处理、剥离纤维长丝、回收纤维长丝和回收内胆六个步骤。本发明将磁性物质和纤维长丝末端包埋在树脂基体中，回收时可以快速确定纤维长丝末端的位置，从而解缠绕获得一整根树脂残留较少的纤维长丝，简单处理后即可回收纤维长丝和内胆。

Description

一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法

技术领域

本发明涉及复合材料的回收，尤其涉及一种无机纤维增强树脂基复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法。

背景技术

纤维是一种长径比极大的材料结构，比块体材料缺陷少、强度高，常用来作为增强材料。其中，碳纤维是一种含碳量在90%以上的化学纤维，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性。碳纤维中的石墨微晶结构沿纤维轴择优取向，纤维轴方向有很高的强度和模量，因此碳纤维具有远超同质量、同尺寸金属材料的强度。碳纤维的主要用途是作为增强材料，可与树脂、金属、陶瓷等按照设计结构、工艺混合，制成复合材料。碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、疲劳性能好等诸多优点。目前被广泛应用关于航空航天、轨道交通、体育运动以及民用等领域。

气瓶作为一种压缩气体的存储载体，绝大多数气瓶的瓶身使用全金属材料，需具有足够的强度和安全性。随着压缩气体存储密度逐步提高的需求，原有金属材质气瓶已经不能满足需求，需要对其进行加厚或者使用更高强度的材料。将浸渍树脂的纤维长丝缠绕在内胆表面制成的复合材料气瓶可大幅增加气瓶的承压能力、抗冲击性，目前正在逐步推广使用。但复合材料气瓶不能够自然降解，所以长期使用后退役气瓶处理成为一大难题。与此同时，纤维往往具有较高价值，特别是对于碳纤维这种特种纤维，具有很好的回收再利用价值，复合材料气瓶内胆回收后也可以二次利用，因此如果能够分别回收所使用的的纤维和内胆，既能够解决废旧纤维增强复合材料气瓶的处理问题，又能够使纤维和内胆二次利用。目前复合材料气瓶，特别是高性能碳纤维复合材料气瓶尚处于研发、开始推广试用阶段，尚没有遇到回收问题。对于纤维增强复合材料来说，以碳纤维增强树脂基复合材料为例，现有的回收方式，是将复合材料粉碎、焚烧、回收纤维，这样纤维长丝被切成小段，使用价值降低，对于纤维来说，是一种损耗。纤维复合材料气瓶是由长的连续纤维在内胆外侧缠绕而成，可以通过抽取外层缠绕复合材料层中的纤维，使带有树脂的纤维从复合材料层中剥离，进而与内胆分离，达到分别回收复合材料和内胆的目的。同时，在抽取复合材料层时，尽可能的保持连续纤维完整性。对于抽取下来的带有树脂的纤维再进行纤维回收，达到回收纤维的目的。

增强纤维拉伸强度远超树脂强度，在分离纤维增强复合材料和内胆时，可以通过寻找纤维缠绕接头，牵扯纤维接头，直接将带有树脂基体的纤维从树脂中牵扯分离开来，收卷备用。然后再对分离的纤维复合材料丝进行处理，回收碳纤维。但复合材料中纤维长丝的首尾端不易寻找，在分离复合材料与内胆时，很难找到纤维接头。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法，包括以下步骤：

1）制备纤维复合材料气瓶

将内胆外壁清洗干净晾干，将浸渍树脂的纤维长丝均匀缠绕在内胆上，在纤维长丝末端粘结磁性物质，将缠绕后的内胆置入旋转固化炉中固化成型，制得纤维增强复合材料气瓶；

2）复合材料气瓶回收预处理

纤维增强复合材料气瓶在达到使用寿命或者因为其它原因不能使用后，排空胆内残留物，对气瓶内外进行清洗烘干，用磁铁检测仪检测瓶体，确定磁性物质位置，做好标记；

3）磁性纤维末端处理

对步骤2）标记处的树脂进行瞬时烧蚀处理，露出纤维长丝末端，将烧蚀后的树脂清理干净，将纤维长丝末端捻成束；

4）剥离纤维长丝

将步骤3）处理后的气瓶固定在转轴上，将纤维长丝用力撕扯下一段长度，固定缠绕在收丝器上，启动收丝器，将纤维长丝从复合材料中剥离并缠绕在收丝器上；

5）回收纤维长丝

将步骤4）回收的带有树脂的纤维长丝在前方收卷机的牵引下，循环氮气保护下缓慢经过400-1200℃的高温炉，树脂基体在高温下裂解，得到不带有树脂基体的纤维，将处理后的纤维长丝超声水洗，烘干后收卷，得到回收的增强纤维长丝；

6）回收全内胆

对步骤4）剥离纤维长丝的气瓶内胆外表面残留的树脂去除，打磨清洗，得到回收的内胆。

本发明将磁性物质和纤维长丝末端包埋在树脂基体中，回收时可以简单快速确定纤维长丝末端的位置，从而解缠绕获得一整根树脂残留较少的纤维复合材料长丝，简单处理后即可回收纤维长丝。

增强纤维长丝可以是碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、碳化硅纤维等耐高温无机纤维，纤维分解温度大于树脂基体分解温度。树脂基体可以说环氧树脂、乙烯基树脂等热固性树脂，也可以是聚乙烯、聚丙烯等热塑性树脂。磁性物质可以使用四氧化三铁颗粒、合金渗碳体、氧化镍等带有磁性的氧化物、合金或金属间化合物。

由于纤维具有较大的拉伸强度，纤维的断裂强度远超树脂的强度，因此原则上可以采用较为“暴力”的手段直接将带有树脂的纤维长丝从复合材料中剥离出来。在本发明步骤4）中，固定气瓶的转轴为从动轴，收丝器转动将纤维长丝从气瓶上剥离，为了得到毛丝较少的纤维长丝，调节转轴和收丝器的相对位置，使已经剥离的纤维长丝与气瓶外壁切线的夹角在30°-75°之间，纤维长丝不会被剥离路线上的不平表面划伤或割断，从而不易断丝，提高收丝的稳定性。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法，包括以下操作：将准备回收的容量为30L气瓶内胆清洗干净晾干，将一束带有聚乙烯树脂、T300、12k的碳纤维长丝从按照设定路径、角度在内胆外缠绕20层，将带有四氧化三铁颗粒的胶水涂覆在纤维末端，将缠绕后的内胆置入加热的型腔中加热，热塑性聚乙烯融化，均匀分布于碳纤维中，然后冷却、取出，制得碳纤维曾聚乙烯复合材料气瓶；碳纤维增强聚乙烯复合材料气瓶在达到使用寿命后，排空胆内残留物，对气瓶内外进行清洗烘干，用磁铁检测仪检测瓶身，确定磁性物质位置，用热焰枪对四氧化三铁颗粒处进行瞬时烧蚀，将树脂烧蚀掉，露出碳纤维长丝末端，将碳纤维长丝末端捻成束后撕扯下一段长度，固定缠绕在收丝器上，保持碳纤维长丝与气瓶外壁切线的夹角为30°，启动收丝器，将碳纤维从气瓶上剥离、收卷，将回收的带有聚乙烯的碳纤维通过900℃高温炉，循环氮气保护，聚乙烯在高温下分解，得到碳纤维。将得到的碳纤维长丝超声水洗，烘干收卷，得到回收的碳纤维；将剥离碳纤维长丝的气瓶内胆外表面残留的树脂去除，打磨、清洗、烘干，得到回收的内胆。

实施例2

一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法，包括以下操作：将准备回收的容量为1000L玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料气瓶内胆清洗干净、晾干，将浸渍环氧树脂的24K玄武岩纤维按照设定的路径、角度缠绕在聚乙烯内胆外，将带有磁性合金渗碳体颗粒的胶水涂覆在纤维末端，将内胆放入旋转固化炉中固化成型，制得玄武岩纤维增强环氧树脂复合材料气瓶；复合材料气瓶在达到使用寿命后，排空胆内残留物，对气瓶内外进行清洗烘干，用磁铁检测仪检测气瓶，确定磁性物质位置，对磁性物质位置的树脂进行烧蚀处理，露出玄武岩纤维长丝末端，将玄武岩纤维长丝末端捻成束后撕扯下一段长度，固定缠绕在收丝器上，保持纤维长丝与气瓶外壁切线的夹角为75°，启动收丝器，将纤维从气瓶上剥离，将回收的带有环氧树脂的纤维通过800℃高温炉，循环氮气保护，环氧树脂在高温下分解，得到玄武岩纤维，通过超声水洗后，烘干收卷，得到回收的玄武岩纤维；将剥离纤维长丝的聚乙烯内胆表面残留的树脂去除，打磨清洗，得到回收的内胆。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种复合材料气瓶增强纤维和内胆的回收方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）制备纤维增强复合材料气瓶

将内胆清洗干净晾干，将浸渍树脂基体的纤维长丝缠绕在内胆上，在纤维长丝末端粘结磁性物质，将缠绕后的内胆置入烘箱中加热成型，制得纤维增强复合材料气瓶；

2）复合材料气瓶回收预处理

纤维增强复合材料气瓶在达到使用寿命后，排空胆内残留物，对气瓶胆内外进行清洗烘干，用磁铁检测仪检测瓶身，确定磁性物质位置，做好标记；

3）磁性纤维末端处理

对步骤2）标记处的树脂进行烧蚀处理，露出纤维长丝末端，将纤维长丝末端捻成束；

4）剥离纤维长丝

将步骤3）处理后的气瓶固定在转轴上，将纤维长丝撕扯下一段长度，固定缠绕在收丝器上，启动收丝器，将纤维长丝剥离；

纤维长丝与全金属气瓶外壁切线的夹角为30-75°；

5）回收纤维长丝

将步骤4）回收的带有树脂基体的纤维长丝在前方收卷机的牵引下，循环氮气保护下缓慢经过400-1200℃的高温炉，树脂基体分解后得到不带有树脂基体的纤维长丝，纤维长丝经过超声水洗后，烘干收卷，得到回收的纤维；

6）回收内胆

对步骤4）剥离纤维长丝的内胆外表面残留的树脂去除，打磨清洗，得到回收的内胆。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增强纤维长丝为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维或碳化硅纤维中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述树脂为环氧树脂、乙烯基酯树脂、聚丙烯腈、尼龙、聚乙烯或聚丙烯中的一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磁性物质为四氧化三铁颗粒、合金渗碳体或氧化镍中的一种。