CN117681340A - 纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统，包括：步骤1：收集连续纤维增强热塑性复合材料废料，进行异物和垃圾清除，利用磁选机进行磁选处理，利用气枪对原料表面进行初步清洁；步骤2：将连续纤维增强热塑性复合材料废料放入切割机内裁剪，然后进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片；步骤3：将薄片与原生聚合物颗粒送入低剪切混合器进行加热搅拌混合，得到面团状熔融混合物；步骤4：将面团状熔融混合物压铸成型，完成回收过程。本发明操作方法简单，流程少，需要用到的设备少，成本低，可行性强，实现了废弃的热塑性复合材料的回收再利用，有利于环保，且制成的制件力学性能强，有广泛的应用空间。
Description
技术领域
本发明涉及二次成型技术领域，具体地，涉及一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统。
背景技术
纤维增强热塑性复合材料(TPC)在航空航天、体育用品、汽车和其他工业领域逐渐成为人们关注的焦点，不断增长的需求也导致工业生产后废料不断增加。在生产过程中，多达三分之一的材料是废料，最近也使用了更多低成本的大批量材料，导致了更多的生产浪费，这些热塑性复合材料废料中蕴含着巨大的经济价值。可回收性一直是使用热塑性复合材料的长远价值所在，熔融能力使其易于回收，但目前尚未大规模用于商业用途。
热塑性复合材料在飞机和汽车生产过程中占有一席之地的很大原因是它们的可加工性。由于热塑性复合材料已经完全聚合，因此它们的生产速度比必须固化成型的热固性复合材料更快，这种快节拍、高效率的生产方式为大规模应用先进复合材料提供了可能。而要大规模采用热塑性复合材料，回收作为生产的固有部分不再是一种选择，而是一种必需品。传统的热塑复材回收方法是利用机械回收方法进行回收，这种方法可以将材料通过破碎、粉碎、磨碎等方式使其成为可再加工的小颗粒，这些方法都极大地破坏了纤维，重新成型后的材料性能下降许多。或是将热塑复材切碎成薄片，再以片层结构的形式压铸成型，但这些薄片的末端具有富含基质的区域，从而在复合材料层压板中产生应力集中。综上，传统的机械回收方法不能很好地满足现有的商业应用需求。
专利文献CN108327311A公开了一种编织碳纤维增强热塑性树脂层压板的二次成型方法，包括以下步骤：(1)对编织碳纤维进行加热除浆处理，以去除表面浆料；(2)将经过加热除浆处理的编织碳纤维夹入两层热塑性树脂薄膜，放入平板硫化机进行第一次热压成型，形成单层编织碳纤维增强热塑性树脂复合材料；(3)将步骤(2)所得单层复合材料进行修剪，多余的树脂溢料去除回收；(4)将单层复合材料叠加放入模具中，层数根据具体使用要求选择，进行第二次热压成型，热压温度和时间远低于第一次成型，获得层压板。然而该专利无法完全解决上述存在的技术问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统。
根据本发明提供的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，包括：
步骤1：收集连续纤维增强热塑性复合材料废料，进行异物和垃圾清除，利用磁选机进行磁选处理，利用气枪对原料表面进行初步清洁；
步骤2：将连续纤维增强热塑性复合材料废料放入切割机内裁剪，然后进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片；
步骤3：将薄片与原生聚合物颗粒送入低剪切混合器进行加热搅拌混合，得到面团状熔融混合物；
步骤4：将面团状熔融混合物压铸成型，完成回收过程。
优选的，磁选机的选别间隙为80mm，磁偏角为3°。
优选的，采用超声波进行洗涤，清洗的时间为60s-90s。
优选的，洗涤时的清洁剂为聚丙烯酸、三氯乙烯和四氯化碳按照1∶1∶1的质量份数比例混合而成。
优选的，干燥过程中烘干机的温度不超过120℃，干燥的时间不小于2小时。
优选的，连续纤维增强热塑性复合材料裁剪后纤维长度在12mm-100mm范围内。
优选的，低剪切混合器加热棒以每分钟5转至15转的速度绕轴向中心旋转5分钟至20分钟。
优选的，加热搅拌混合过程中的温度范围为120℃-420℃。
优选的，压铸成型过程中模具加热方式为电加热或红外加热，冷却方式为常温冷却。
根据本发明提供的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型系统，包括：
模块M1：收集连续纤维增强热塑性复合材料废料，进行异物和垃圾清除，利用磁选机进行磁选处理，利用气枪对原料表面进行初步清洁；
模块M2：将连续纤维增强热塑性复合材料废料放入切割机内裁剪，然后进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片；
模块M3：将薄片与原生聚合物颗粒送入低剪切混合器进行加热搅拌混合，得到面团状熔融混合物；
模块M4：将面团状熔融混合物压铸成型，完成回收过程。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用的原料大多为生产过程中的废料，价格低廉，可回收，属于绿色产品技术，回收过程设备与生产过程简单、效率高；
2、混合后的面团状混合物的纤维是随机定向的，但在压制过程中，它的流动行为取决于纤维的数量、纤维长度、纤维束在面团中的相互作用以及纤维束的分散性，材料的流动会重新定向纤维，各个方向的纤维会互相缠结，从而形成了准各向同性、高强度和高韧性等优良的力学性能；
3、本发明通过低剪切混合，有效防止混合过程中的纤维磨损，以限制力学性能的降低，并可获得更均匀的产品，零件中的应力集中更少，因此性能更高；
4、低剪切混合过程将薄片解开成层，然后将层分离成束，将束分离成松散的纤维，聚合物也被混合以降低纤维含量，获得了更好的流动性能，使材料更容易加工成形状；
5、低剪切混合器加热圆筒中旋转加热棒提供加热和混合双重功能，由于没有增塑螺杆，熔体受到的剪切作用非常有限，因此可以保持材料纤维长度；
6、采用等温模具铸压成型，是一个近乎净成形的工艺，可以在压缩成型机中使用传统的短周期时间(例如5分钟)冲压成型进行加工，从而提供了更短的循环时间、更轻的重量和更智能的结构。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为回收方案的流程示意图；
图2a和图2b为低剪切混合器示意图；
附图标记：1-漏斗；2-活塞；3-旋转杆；4-阀门；5-固定外筒。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1，本发明提供了一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，包括以下步骤：
步骤1：收集废弃的纤维增强热塑复合材料原料，例如修建裁边的废料和建筑废料。进行挑选，将大块的异物和垃圾清除，随后利用磁选机进行磁选处理，去除其中潜藏的金属物质，再利用气枪对原料表面进行初步清洁，去除表面灰尘和异物。
步骤2：将纤维增强热塑复合材料废料放入切割机内裁剪，随后取出进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片。
步骤3：将步骤1中得到的薄片与原生聚合物颗粒混合，送入低剪切混合器，混合器内加热棒进行旋转加热，在这一阶段中，聚合物开始熔融，导致片状物分层，片层的编织结构疏松，最终束状物扩散成各种尺寸的团簇。在混合阶段结束时，活塞将物料推出混合器，形成面团状熔融混合物。降低纤维重量分数，随后机器将面团状混合物挤出。
步骤4：将步骤2中得到的面团状熔融混合物送入一个开放的等温(加热)模具中进行压铸，制件的形状由模具决定，随后冷却一段时间，取出模具，材料成型完成。
优选地，所述步骤(1)中连续纤维增强复合材料废料以聚醚醚酮(PEEK)、聚苯硫醚(PPS)、聚乙烯(PE)、PAEK(聚芳醚酮)、聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚醚酰亚胺(PEI)、或聚醚酮酮(PEKK)等为基体。
所述步骤1中连续纤维增强复合材料废料中的连续纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维等增强纤维，纤维长度在100mm以上。
所述步骤1中磁选机的选别间隙为80mm，磁偏角为3°。
所述步骤2中连续纤维热塑复合材料裁剪后纤维长度在12-100mm范围内。
所述步骤2中的洗涤采用工业清洗设备，例如超声波清洗池，洗涤过程加入清洁剂，对原料进行超声波清洗，清洁剂为聚丙烯酸、三氯乙烯和四氯化碳按照1：1：1的质量份数比例混合而成，清洗时间为60-90s，清洗完成后捞出，清水冲洗干净备用。
所述步骤2中的干燥采用工业干燥箱或鼓风干燥箱设备进行干燥。
所述步骤2中的干燥温度不超过120℃，干燥时间不小于2小时。
所述步骤3中的原生聚合物颗粒直径要求小于5mm，原生聚合物颗粒的种类与连续纤维增强复合材料废料中的基体材料种类相同。
所述步骤3中的低剪切混合器与典型的螺杆挤出机不同，低剪切混合器由一个直径为70mm的加热空心圆筒组成，其内部有3个偏心放置的加热棒旋转。加热棒开始以每分钟5转(rpm)至15转(rpm)的速度绕轴向中心旋转5至20分钟。
如图2a为装置三维线图模型，图2b为截面A-A剖面图。
所述步骤3中，在整个混合过程中，材料没有被压缩，只填充了部分空腔，范围从20％到50％不等。
所述步骤3中的降低纤维重量分数范围为25-40％。
所述步骤3中加热的温度范围为120-420℃，依据不同的基体而选择不同。
所述步骤4中的加热方式为电加热或红外加热，冷却方式为常温冷却。
实施例2
回收连续碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)复合材料废料
(1)所用材料是3mm厚的固结层合板，准各向同性(QI)铺层为5束缎纹半固化片，纤维体积含量(FVF)为50％。
表1为具体材料参数。
表1
| 属性 | 碳纤维 | PPS |
| 密度(g/cm3) | 1.76 | 1.35 |
| 拉伸模量(GPa) | 230 | 3.8 |
| 泊松比(-) | 0.28 | 0.36 |
| 拉伸强度(GPa) | 3530 | 30 |
| 纤维直径(μm) | 7 | - |
| 纤维长度(mm) | 15 | - |
(2)采用低速双轴粉碎机，刀片宽度为19mm，无筛网，对该物料进行连续5次粉碎。取出碎片后进行洗涤。
(3)所有材料在加工前在120℃下干燥至少2小时。使用前述的低剪切混合器对物料进行熔融混合，混合参数在表2中给出，随后得到面团状混合物，纤维体积含量降低至35％。
(4)将混合物定位于305×305mm2型腔的中心，并在表2中给出的设置下进行压缩成型，以形成板材。
表2为具体混合和压缩成型参数。
表2
| 属性 | 材料 |
| 混合温度(℃) | 340 |
| 加热与混合时间(min) | 15 |
| 模具温度(℃) | 140 |
| 冷却时间(min) | 3 |
| 造型压力(MPa) | 4,5 |
(5)按照ISO14125进行四点弯曲试验，十字头速度为2mm/min，每个样品至少使用5个样品来确定弯曲模量和强度。测得抗弯强度为348MPa，弯曲模量为24GPa。
实施例3
回收连续碳纤维增强聚苯硫醚(PPS)复合材料废料
(1)所用材料是5层碳纤维增强固结层合板，在切碎机中连续喂入5次。低速双轴粉碎机的叶片宽度为19mm，无筛网，输出的长纤维长度为15～20mm，取出碎片后进行洗涤。
(2)用PPS粒料(即与回收的C/PPS层压板相同的基体)对材料进行稀释，使纤维体积含量(FVF)降至20％。所有材料在加工前在120℃下干燥至少2小时。使用前述的低剪切混合器对物料进行熔融混合。
(3)将所得的面团状熔融混合物放入模具平台中，在180℃以200bar和20mm/s的速度进行压铸成型，带肋面板大小为305×305mm2。
(4)按照ISO14125进行四点弯曲试验，结果如表3所示
表3
| 材料属性 | 20％VF的C/PPS回收板料 |
| 密度(kg/cm3) | 1460 |
| 抗弯强度(MPa) | 190 |
| 失效形式 | 拉伸 |
| 杨氏模量(GPa) | 13 |
| 泊松比 | 0.3 |
实施例4
回收连续玻璃纤维增强聚苯烯(PP)复合材料废料
(1)所用材料是3mm厚玻璃纤维增强固结层合板，在切碎机中连续喂入5次。低速双轴粉碎机的叶片宽度为19mm，无筛网，输出的长纤维长度为15～19mm。
(2)用PP颗粒料(即与回收的G/PP层压板相同的基体)对材料进行稀释，使纤维体积含量(FVF)降至35％。所有材料在加工前在120℃下干燥至少2小时。使用前述的低剪切混合器对物料进行熔融混合。
(3)将混合材料送入低剪切混合器，在5rpm下混合15min，随后取出面团状熔融混合物，送入模具中，分别以45bar和200bar下对平板和带肋面板进行模压成型。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，包括：
步骤1：收集连续纤维增强热塑性复合材料废料，进行异物和垃圾清除，利用磁选机进行磁选处理，利用气枪对原料表面进行初步清洁；
步骤2：将连续纤维增强热塑性复合材料废料放入切割机内裁剪，然后进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片；
步骤3：将薄片与原生聚合物颗粒送入低剪切混合器进行加热搅拌混合，得到面团状熔融混合物；
步骤4：将面团状熔融混合物压铸成型，完成回收过程。
2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，磁选机的选别间隙为80mm，磁偏角为3°。
3.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，采用超声波进行洗涤，清洗的时间为60s-90s。
4.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，洗涤时的清洁剂为聚丙烯酸、三氯乙烯和四氯化碳按照1∶1∶1的质量份数比例混合而成。
5.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，干燥过程中烘干机的温度不超过120℃，干燥的时间不小于2小时。
6.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，连续纤维增强热塑性复合材料裁剪后纤维长度在12mm-100mm范围内。
7.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，低剪切混合器加热棒以每分钟5转至15转的速度绕轴向中心旋转5分钟至20分钟。
8.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，加热搅拌混合过程中的温度范围为120℃-420℃。
9.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，其特征在于，压铸成型过程中模具加热方式为电加热或红外加热，冷却方式为常温冷却。
10.一种纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型系统，其特征在于，采用权利要求1-9中任一项所述的纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法，包括：
模块M1：收集连续纤维增强热塑性复合材料废料，进行异物和垃圾清除，利用磁选机进行磁选处理，利用气枪对原料表面进行初步清洁；
模块M2：将连续纤维增强热塑性复合材料废料放入切割机内裁剪，然后进行洗涤、干燥，得到切碎干净的薄片；
模块M3：将薄片与原生聚合物颗粒送入低剪切混合器进行加热搅拌混合，得到面团状熔融混合物；
模块M4：将面团状熔融混合物压铸成型，完成回收过程。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311758085.5A CN117681340A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统 |
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| CN117681340A true CN117681340A (zh) | 2024-03-12 |
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Family Applications (1)
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| CN202311758085.5A Pending CN117681340A (zh) | 2023-12-19 | 2023-12-19 | 纤维增强热塑性复合材料的回收二次成型方法和系统 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117681340A (zh) |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311758085.5A patent/CN117681340A/zh active Pending
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