CN114561040B - 一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置及使用方法，包括O2输入单元、回收单元以及运动控制单元；回收单元包括反应釜釜体、反应釜上盖、搅拌装置，反应釜釜体用于存放Cr2O3粉末，搅拌装置中的旋转轴均匀设置有网状叶片，用于夹持待回收的碳纤维增强树脂基复合材料废弃物，运动控制单元用以控制反应釜上盖的启闭；O2输入单元用于向反应釜输送定量的O2；待回收的碳纤维增强树脂基复合材料废弃物内置于网状叶片中，加热反应釜到设定温度，旋转的网状叶片致使复合材料废弃物与Cr2O3粉末充分接触，待树脂基体完全分解后回收获得表面干净的高性能再生碳纤维材料。本发明可实现碳纤维增强树脂基复合材料废弃物的产业化回收。
Description
技术领域
本发明涉及碳纤维增强树脂基复合材料废弃物的回收与再利用领域，具体涉及一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置及使用方法。
背景技术
碳纤维增强树脂基复合材料因其高强度、弹性模量高、重量轻、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能被广泛的应用于航空航天、交通运输业、海洋、体育器材与医疗器材以及新能源等领域。随着应用领域的扩大，碳纤维增强树脂基复合材料废弃物也越来越多，主要来源于制造过程中产生的边角废料和残次品，使用过程中破损的结构件以及生命周期末端的废弃碳纤维增强树脂基复合材料。2021年发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出要加强碳纤维及复合材料的应用，推动绿色发展。从废弃物中回收高价值、高性能的碳纤维有利于降低成本、减少资源浪费。
碳纤维增强树脂基复合材料主要的回收方法包括机械回收法、热分解法、化学回收法等。机械回收法回收的是短切碳纤维，降低了再生碳纤维的实用价值以及力学性能。热分解法回收的纤维表面会有积碳，且对环境污染大。化学回收法采用大量化学溶剂，对环境产生二次污染。公开号为CN208362235U的中国专利申请公开了一种借由微波辐射复合材料中的碳纤维进行回收的装置，对碳纤维表面热损伤大，力学性能大幅降低。公开号为CN113174086A的中国专利申请公开了一种通过将碳纤维复合材料在裂解筒内经加热管高温加热发生裂解回收碳纤维复合材料的方法，再生碳纤维力学性能降低、表面易存在积碳。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，本发明基于高温氧化物半导体回收碳纤维增强树脂基复合材料的基本原理，提出了一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置及使用方法，可实现低成本、高效率的回收不同形状大小的碳纤维增强树脂基复合材料，从而得到高性能的再生碳纤维。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，包括O2输入单元、回收单元以及运动控制单元，O2输入单元与回收单元连通，运动控制单元与回收单元固连。
进一步地，所述回收单元包括反应釜釜体、反应釜上盖、搅拌装置、柔性石墨密封圈、温度检测装置、排气管、Cr2O3粉末、电阻丝。所述反应釜釜体与所述反应釜上盖采用所述柔性石墨密封圈密封，所述反应釜上盖与所述搅拌装置通过支架固连，所述温度检测装置的感温端设置在所述反应釜内，所述排气管安装在所述反应釜右侧，所述Cr2O3粉末内置于反应釜内，所述电阻丝盘旋于所述反应釜釜体壁中。所述反应釜釜体容积为30L～100L，加热温度为400℃～520℃，所述Cr2O3粉末纯度为99％、比表面积为3m2/g。
进一步地，所述搅拌装置包括电动机、减速机、支架、联轴器、旋转轴、网状叶片。所述电动机与所述减速机直连，所述支架与所述减速机通过螺母固定连接，所述轴封装置安装于所述旋转轴上，用于密封所述滚动轴承，所述滚动轴承内置于所述反应釜上盖中，所述旋转轴通过所述联轴器与所述减速机相连，所述旋转轴均匀设置有所述网状叶片。所述电动机的功率为300W～750W，所述旋转轴转速为30r/min～80r/min。所述网状叶片的数量为2～6个、孔隙率为60％～90％、安装角度为0°～90°、曲率为0～40％，所述网状叶片上孔的形状可以是圆形、三角形、四边形、五边形。
进一步地，本发明一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置还可以具有这样的特征：所述O2输入单元包括储气罐、流量计、单向止回阀和不锈钢管，并通过所述不锈钢管与所述回收单元中的所述反应釜釜体连通，所述流量计安装于不锈钢管上，用于检测O2流量，所述单向止回阀安装于不锈钢管上，用于防止O2回流。O2的体积浓度为60％～100％、流量为140mL/min～200mL/min。。
进一步地，本发明一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置还可以具有这样的特征：所述运动控制单元包括气缸、动力控制阀组、空气压缩机，并通过内置于所述气缸的活塞杆与所述反应釜上盖固连，所述空气压缩机通过所述动力控制阀组控制所述气缸的活塞杆往复运动，从而控制所述反应釜上盖的启闭。
进一步地，每个网状叶片包括两片形状大小相同的网状叶片本体重叠放置形成具有内腔的网状叶片，通过锁扣将两片网状叶片本体连接为一体。
一种高效可产业化回收再生碳纤维装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤a：将碳纤维增强树脂基复合材料废弃物进行破碎，放入所述网状叶片中，将所述Cr2O3粉末内置于所述反应釜釜体中。
步骤b：通过所述运动控制单元控制所述反应釜上盖下降至与所述反应釜釜体闭合。
步骤c：打开所述储气罐，将体积浓度为60％～100％、流量为140mL/min～200mL/min的O2通过所述不锈钢管输送到所述反应釜釜体中。
步骤d：通过所述电阻丝对所述反应釜釜体进行加热，通过所述温度检测装置监测反应釜内温度，当所述反应釜的温度达到400℃～520℃时停止加热。
步骤e：启动所述电动机致使所述旋转轴上均匀设置的所述网状叶片旋转，转速为40r/min-80r/min，旋转的所述网状叶片致使碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物与所述Cr2O3粉末充分接触。。
步骤f：经10min～30min后分解完成，关闭所述电动机，分解过程只产生CO2和H2O，产生的CO2通过排气管排出。通过所述运动控制单元控制所述反应釜上盖上升致使所述网状叶片脱离所述Cr2O3粉末，启动所述电动机致使所述旋转轴上均匀设置的所述网状叶片旋转1min～3min，去除附着于再生碳纤维表面的Cr2O3粉末，打开所述网状叶片获得表面干净的再生碳纤维材料。
本发明的有益效果是：
1、本发明基于热活化氧化物半导体回收碳纤维增强树脂基复合材料的基本原理，提出了一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置及使用方法。其原理是高温条件下Cr2O3粉末产生空穴，能够捕捉树脂基体分子链中的共价电子，使碳纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体分子链断裂、坍塌，形成低分子量单体，并与O2发生燃烧反应生成CO2和H2O，该工艺过程对环境无污染、能耗低，再生碳纤维回收效率和树脂分解率高。
2、本发明装置可回收不同尺寸、形状的碳纤维增强树脂基复合材料废弃物，运动控制单元控制回收单元中的反应釜上盖上升致使旋转轴上均匀设置的网状叶片脱离Cr2O3粉末，电动机控制旋转轴上均匀设置的网状叶片旋转，能有效去除附着在再生碳纤维表面的Cr2O3粉末，再生碳纤维表面干净、力学性能损失小、实用价值高。
3、本发明装置及使用方法具有高效、高质、环境友好、结构简单、操作方便等特点，可实现碳纤维增强树脂基复合材料废弃物的产业化回收。
附图说明
图1是本发明装置结构示意图；
图2是网状叶片结构图；
图1中：1-动力控制阀组、2-气缸、3-空气压缩机、4-反应釜上盖、5-反应釜釜体、6-不锈钢管、7-流量计、8-单向止回阀、9-储气罐、10-搅拌装置、11-电动机、12-减速机、13-支架、14-联轴器、15-轴封装置、16-滚动轴承、17-柔性石墨密封圈、18-温度检测装置、19-排气管、20-旋转轴、21-网状叶片、22-Cr2O3粉末、23-电阻丝。
图2中：211网状叶片本体、212锁扣。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，由O2输入单元Ⅰ、回收单元以及运动控制单元Ⅱ组成。所述O2输入单元Ⅰ与回收单Ⅱ元连通。所述运动控制单元Ⅲ与回收单元Ⅱ固连。
所述O2输入单元Ⅰ由不锈钢管6、流量计7、单向止回阀8、储气罐9组成，所述流量计7安装于不锈钢管6上，用于检测O2流量，所述单向止回阀8设置于不锈钢管6上，用于防止O2回流。通过不锈钢管6将体积浓度为100％、流量为180mL/min的O2输送至所述回收单元Ⅱ的反应釜釜体5中。
所述回收单元Ⅱ包括反应釜上盖4、反应釜釜体5、搅拌装置10、柔性石墨密封圈17、温度检测装置18、排气管19、Cr2O3粉末22、电阻丝23。所述反应釜釜体5与所述反应釜上盖4之间采用柔性石墨密封圈17径向密封。所述温度检测装置18为热电偶，热电偶的感温端设置在反应釜釜体5内，用于监测所述反应釜釜体5内温度，所述排气管19安装在所述反应釜釜体5右侧，所述Cr2O3粉末22内置于反应釜釜体5内，所述电阻丝23盘旋于所述反应釜釜体5壁中。所述反应釜釜体5容积为70L、加热温度为500℃，所述Cr2O3粉末22纯度为99％、比表面积为3m2/g。
所述搅拌装置10包括电动机11、减速机12、支架13、联轴器14、轴封装置15、滚动轴承16、柔性石墨密封圈17、旋转轴20、网状叶片21。所述电机11与所述减速机12直连，所述支架13与所述减速机12通过螺母固定连接，所述轴封装置15安装于所述旋转轴20上，用于密封所述滚动轴承16，所述滚动轴承16内置于所述反应釜上盖4中，所述旋转轴20通过所述联轴器14与所述减速机12相连，所述旋转轴20均匀设置有所述网状叶片21，所述网状叶片21用于夹持待回收的片状碳纤维增强酚醛树脂复合材料废弃物。所述电动机11功率为750w，用以驱动所述旋转轴20上均匀设置的网状叶片21旋转，转速为60r/min，所述网状叶片21的数量为5个、孔隙率为90％、安装角度为30°、曲率为15％，所述网状叶片21上孔形状为三角形。
所述运动控制单元包括动力控制阀组1、气缸2、空气压缩机3，并通过内置于所述气缸2的活塞杆控制所述反应釜上盖4固连。所述运动控制单元Ⅲ控制所述反应釜上盖4下降形成径向密封，控制所述反应釜上盖4上升致使所述网状叶片21脱离所述Cr2O3粉末22。
如图2所示，每个网状叶片21包括两片形状大小相同的网状叶片本体211重叠放置形成具有内腔的网状叶片21，通过锁扣212将两片网状叶片本体211连接为一体。
一种高效可产业化回收再生碳纤维装置的使用方法，以片状碳纤维增强酚醛树脂复合材料废弃物为回收对象。
包括以下步骤：
步骤a、将待回收的片状碳纤维增强酚醛树脂复合材料废弃物进行破碎，打开所述锁扣212，将所述破碎的碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物放入所述网状叶片21中，按下所述锁扣212，将所述Cr2O3粉末22内置于反应釜釜体5中。
步骤b、通过所述运动控制单元Ⅰ控制所述反应釜上盖4下降至于所述反应釜釜体5形成径向密封。
步骤c、打开所述储气罐9，将体积浓度为100％的O2通过所述不锈钢管6输送到所述反应釜釜体5中。
步骤d、通过所述电阻丝23对所述反应釜釜体5进行加热，通过所述温度检测装置18监测所述反应釜釜体5内温度，当所述反应釜釜体5温度达到500℃时停止加热，此时所述反应釜釜体5中的所述Cr2O3粉末22受温度激发产生大量空穴，开始分解碳纤维增强酚醛树脂复合材料废弃物中的酚醛树脂基体。
步骤e、启动所述电动机11，驱动所述旋转轴20上均匀设置的所述网状叶片21旋转，转速为60r/min，旋转的所述网状叶片21致使碳纤维增强酚醛树脂复合材料废弃物与Cr2O3粉末22充分接触。
步骤f、待20min后，分解完成，关闭所述电动机11。分解过程只产生CO2和H2O，产生的CO2通过所述排气管19排出。通过所述运动控制单元Ⅲ控制所述反应盖4上升致使所述网状叶片21脱离所述Cr2O3粉末22，启动所述电动机11驱动设置于所述旋转轴20上的网状叶片21旋转2min，去除附着于再生碳纤维表面的所述Cr2O3粉末22。打开所述锁扣212获得表面干净、力学性能优异的再生碳纤维材料，树脂基体分解率100％。
实施例2：
一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，由O2输入单元Ⅰ、回收单元Ⅱ以及运动控制单元Ⅲ组成，所述O2输入单元Ⅰ与回收单Ⅱ元连通。运动控制单元Ⅲ与回收单元Ⅱ固连。
所述O2输入单元Ⅰ包括不锈钢管6、流量计7、单向止回阀8、储气罐9，所述流量计7安装于不锈钢管6上，用于检测O2流量，所述单向止回阀8设置于不锈钢管6上，用于防止O2回流。通过所述不锈钢管6将体积浓度为100％、流量为180mL/min的O2输送至回收单元中。
所述回收单元包括反应釜上盖4、反应釜釜体5、搅拌装置10、柔性石墨密封圈17、温度检测装置18、排气管19、Cr2O3粉末22、电阻丝23。所述反应釜上盖4与所述反应釜釜体5之间采用所述柔性石墨密封圈17径向密封。所述排气管19安装在所述反应釜釜体5右侧，所述Cr2O3粉末22内置于反应釜釜体5内，所述电阻丝23盘旋于所述反应釜釜体5壁中，所述反应釜釜体5容积为50L、加热温度为520℃，所述Cr2O3粉末22纯度为99％、比表面积为3m2/g。
通过所述电阻丝23加热所述反应釜釜体5，所述温度检测装置18为热电偶，热电偶的感温端设置在所述反应釜釜体5内，用于监测所述反应釜釜体5内温度，当温度达到520°时，停止所述电阻丝23对所述反应釜釜体5的加热。
所述搅拌装置10包括电动机11、减速机12、支架13、联轴器14、轴封装置15、滚动轴承16、旋转轴20、网状叶片21。所述电机11与所述减速机12直连，所述支架13与所述减速机12通过螺母固定连接，所述轴封装置15安装于所述旋转轴20上，用于密封所述滚动轴承16，所述滚动轴承16内置于所述反应釜上盖4中，所述旋转轴20通过所述联轴器14与所述减速机12相连，所述旋转轴20均匀设置有所述网状叶片21，所述网状叶片21用于夹持待回收的片状碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物，所述电动机11功率为550w，用以驱动所述旋转轴20上均匀设置的所述网状叶片21旋转，转速为50r/min，所述网状叶片21的数量为3个、孔隙率为80％、安装角度为45°、曲率为25％，所述网状叶片21上孔形状为圆形。
所述运动控制单元Ⅲ由动力控制阀组1、气缸2、空气压缩机3组成，所述运动控制单元Ⅲ通过内置于所述气缸2的活塞杆与所述反应釜上盖4固连。通过所述运动控制单元Ⅲ控制所述反应釜上盖4下降形成径向密封，控制所述反应釜上盖4上升致使所述网状叶片21脱离所述Cr2O3粉末22。
每个网状叶片21包括两片形状大小相同的网状叶片本体211重叠放置形成具有内腔的网状叶片21，通过锁扣212将两片网状叶片本体211连接为一体。
一种高效可产业化回收再生碳纤维装置的使用方法，以管状碳纤维增强环氧树脂复合材料为回收对象。
包括以下步骤：
步骤a、将待回收的管状碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物进行破碎，打开所述锁扣212，将所述破碎的碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物放入所述网状叶片21中，按下锁扣212，将Cr2O322粉末内置于反应釜釜体5中。
步骤b、通过所述运动控制单元Ⅲ控制所述反应釜上盖4下降至与所述反应釜釜体5闭合，通过所述柔性石墨密封圈17形成径向密封。
步骤c、打开所述储气罐9，以体积百分比计，将浓度为100％的O2通过所述不锈钢管6输送到所述反应釜釜体5中。
步骤d、通过所述电阻丝23对所述反应釜釜体5进行加热，通过所述温度检测装置18监测反应釜内温度，当所述反应釜釜体5温度达到520℃时停止加热，此时所述反应釜釜体5中的Cr2O3粉末22受温度激发产生大量空穴，开始分解碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物中的环氧树脂基体。
步骤e、启动所述电动机11，驱动所述旋转轴20上均匀设置的所述网状叶片21旋转，保持转速40r/min，旋转的所述网状叶片21致使碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物与所述Cr2O3粉末22充分接触。
步骤f、待20min后，分解完成，关闭所述电动机11。分解过程只产生CO2和H2O，产生的CO2通过排气管19排出。通过所述运动控制单元Ⅲ控制所述反应盖4上升致使网状叶片21脱离Cr2O3粉末22，启动电动机11保持旋转轴20继续旋转2min，去除附着于再生碳纤维表面的Cr2O3粉末22，打开锁扣212获得表面干净、力学性能优异的再生碳纤维材料，树脂基体分解率100％。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，其特征在于：包括O2输入单元(Ⅰ)、回收单元(Ⅱ)以及运动控制单元(Ⅲ)，O2输入单元(Ⅰ)回收单元(Ⅱ)连通，运动控制单元(Ⅲ)与回收单元(Ⅱ)固连；所述回收单元(Ⅱ)包括反应釜上盖(4)、反应釜釜体(5)、搅拌装置(10)、柔性石墨密封圈(17)、温度检测装置(18)、排气管(19)、Cr2O3粉末(22)、电阻丝(23)；所述反应釜上盖(4)与所述反应釜釜体(5)之间采用所述柔性石墨密封圈(17)密封；所述反应釜上盖(4)与所述搅拌装置(10)通过支架(13)固连，所述温度检测装置(18)的感温端设置在所述反应釜内，所述排气管(19)安装在所述反应釜釜体(5)右侧，所述Cr2O3粉末(22)内置于反应釜釜体(5)内，所述电阻丝(23)盘旋于所述反应釜釜体(5)壁中；所述搅拌装置(10)包括电动机(11)、减速机(12)、支架(13)、联轴器(14)、轴封装置(15)、滚动轴承(16)、旋转轴(20)、网状叶片(21)；所述电机(11)与所述减速机(12)直连，所述支架(13)与所述减速机(12)通过螺母固定连接，所述轴封装置(15)安装于所述旋转轴(20)上，用于密封所述滚动轴承(16)，所述滚动轴承(16)内置于所述反应釜上盖(4)中，所述旋转轴(20)通过所述联轴器(14)与所述减速机(12)相连，所述旋转轴(20)均匀设置有所述网状叶片(21)；每个网状叶片(21)包括两片形状大小相同的网状叶片本体(211)重叠放置形成具有内腔的网状叶片(21)，通过锁扣(212)将两片网状叶片本体(211)连接为一体；所述运动控制单元(Ⅲ)包括动力控制阀组(1)、气缸(2)、空气压缩机(3)，并通过内置于所述气缸(2)的活塞杆与所述反应釜上盖(4)固连，所述空气压缩机(3)通过所述动力控制阀组(1)控制所述气缸(2)的活塞杆往复运动，从而控制所述反应釜上盖(4)的启闭。
2.根据权利要求1所述的一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，其特征在于：所述反应釜釜体(5)容积为30L～100L，加热温度为400℃～520℃，所述Cr2O3粉末(22)纯度为99％、比表面积为3m2/g。
3.根据权利要求1所述的一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，其特征在于：所述电动机(11)的功率为300W～750W，所述旋转轴(20)转速为30r/min～80r/min，所述网状叶片(21)的数量为2～6个、孔隙率为60％～90％、安装角度为0°～90°、曲率为0～40％，所述网状叶片(21)上孔的形状为圆形、三角形、四边形、五边形。
4.根据权利要求1所述的一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，其特征在于：所述O2输入单元(Ⅰ)包括不锈钢管(6)、流量计(7)、单向止回阀(8)、储气罐(9)，并通过所述不锈钢管(6)与所述回收单元(Ⅰ)中的所述反应釜釜体(5)连通，所述流量计(7)安装于不锈钢管(6)上，用于检测O2流量，所述单向止回阀(8)设置于不锈钢管(6)上，用于防止O2回流。
5.根据权利要求1所述的一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置，其特征在于：O2的体积浓度为60％～100％、流量为140mL/min～200mL/min。
6.如上述任一项权利要求所述的一种高效可产业化回收再生碳纤维的装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a：将碳纤维增强树脂基复合材料废弃物进行破碎，放入所述网状叶片(21)中，将所述Cr2O3粉末(22)内置于所述反应釜釜体(5)中；
步骤b：通过所述运动控制单元(Ⅰ)控制所述反应釜上盖(4)下降至与所述反应釜釜体(5)闭合；
步骤c：打开所述储气罐(9)，将体积浓度为60％～100％、流量为140mL/min～200mL/min的O2通过所述不锈钢管(6)输送到所述反应釜釜体(5)中；
步骤d：通过所述电阻丝(23)对所述反应釜釜体(5)进行加热，通过所述温度检测装置(18)监测反应釜内温度，当所述反应釜釜体(5)的温度达到400℃～520℃时停止加热；
步骤e：启动所述电动机(11)致使所述旋转轴(20)上均匀设置的所述网状叶片(21)旋转，转速为40r/min-80r/min，旋转的所述网状叶片(21)致使碳纤维增强环氧树脂复合材料废弃物与所述Cr2O3粉末(22)充分接触；
步骤f：经10min～30min后分解完成，关闭所述电动机(11)；分解过程只产生CO2和H2O，产生的CO2通过排气管(19)排出；通过所述运动控制单元(Ⅲ)控制所述反应釜上盖(4)上升致使所述网状叶片(21)脱离所述Cr2O3粉末(22)，启动所述电动机(11)致使所述旋转轴(20)上均匀设置的所述网状叶片(21)旋转1min～3min，去除附着于再生碳纤维表面的Cr2O3粉末(22)，打开所述网状叶片(21)获得表面干净的再生碳纤维材料。
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