DE112012006712T5

DE112012006712T5 - Rezyklieren von Kohlenstofffasern aus Epoxidharz mittels Lösungsmittel-Cracking

Info

Publication number: DE112012006712T5
Application number: DE112012006712.6T
Authority: DE
Inventors: Georgius Abidal Adam
Original assignee: Empire Technology Development LLC
Current assignee: Empire Technology Development LLC
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: US8920932B2; CN104662074B; US20140023581A1; WO2014014458A1; DE112012006712B4; CN104662074A

Abstract

Verfahren zum Extrahieren und Rezyklieren von Kohlenstofffasern werden bereitgestellt. Verfahren zum Extrahieren und Rezyklieren von Kohlenstofffasern mit Furan-2-carbaldehyd werden bereitgestellt und Systeme zum Durchführen derselben werden ebenfalls bereitgestellt. Zusammensetzungen, die Harzverbundstoffe, Kohlenstofffasern und/oder Furan-2-carbaldehyd umfassen, werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

GEBIET
Es werden Verfahren zum Rezyklieren von Kohlenstofffasern aus Epoxidharz bereitgestellt, bei denen ein Cracking bzw. eine Rissbildung bzw. Zersplitterung mit einem Lösungsmittel auf natürlicher Basis eingesetzt wird.
HINTERGRUND
Kohlenstofffaserverstärkte Polymere (CFRPs) werden zunehmend in Verbraucher- und Unternehmensanwendungen verwendet. Es werden wirksame und effiziente Rezyklierungsverfahren benötigt, insbesondere, um die Kohlenstofffasern (CFs) – die teuerste Komponente von CFRPs – wiederzugewinnen. Idealerweise werden die CFs intakt und gereinigt zurückgewonnen, so dass sie bei einer erneuten Produktion wiederverwendet werden können.
Deshalb gibt es einen Bedarf zum Entwickeln von verbesserten Verfahren zum Rezyklieren von Kohlenstofffasern. Die hier bereitgestellten Ausführungsformen erfüllen diesen Bedarf sowie andere.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen stellen Verfahren zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff bereit. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Inkontaktbringen eines Harzverbundstoffs, der Kohlenstofffasern umfasst, mit einem Extraktionslösungmittel, um die Kohlenstofffasern aus dem Harzverbundstoff freizusetzen, wobei das Extraktionslösungsmittel ein Cracking-Agens bzw. rissbildendes Mittel bzw. Zersplitterungsmittel umfasst, welches Furan-2-carbaldehyd (”Furfural”; CAS 98-01-1; C₅H₄O₂) ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das Extraktionslösungsmittel außerdem ein oder mehrere Quellmittel. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Reinigen der freigesetzten Kohlenstofffasern, um gereinigte Kohlenstofffasern bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen umfasst das Extraktionslösungsmittel außerdem wenigstens ein zusätzliches Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd. In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren unter wasserfreien Bedingungen durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen wird das Verfahren bei einem ungefähr neutralen pH-Wert durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Reinigungsschritt das Filtrieren der freigesetzten Kohlenstofffasern. In einigen Ausführungsformen umfasst der Reinigungsschritt das Entfernen des zersplitterten Verbundstoffharzes von den Fasern.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Trocknen der gereinigten Kohlenstofffasern.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Abtrennen des Extraktionslösungsmittels von den freigesetzten Kohlenstofffasern.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Abtrennen des Extraktionslösungsmittels von den freigesetzten Kohlenstofffasern und dem zersplitterten Verbundstoffharz. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Inkontaktbringen des abgetrennten Extraktionslösungsmittels mit einem anderen Harzverbundstoff, um Kohlenstofffasern aus dem anderen Harzverbundstoff zu extrahieren.
Verschiedene Ausführungsformen stellen Systeme zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff bereit. In einigen Ausführungsformen umfasst das System einen ersten Behälter, der einen Harzverbundstoff umfasst, der Kohlenstofffasern umfasst; einen zweiten Behälter, der ein Extraktionslösungsmittel umfasst, wobei der erste Behälter funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden ist, so dass der Harzverbundstoff mit dem Extraktionslösungsmittel in Kontakt gebracht werden kann, wobei das Extraktionslösungsmittel ein Cracking-Agens umfasst und wobei das Cracking-Agens Furan-2-carbaldehyd umfasst.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System einen dritten Behälter, der ein oder mehrere Quellmittel umfasst, wobei der dritte Behälter funktionsfähig mit dem ersten Behälter verbunden ist, so dass der Harzverbundstoff mit dem einen oder mehreren Quellmitteln in Kontakt gebracht werden kann. In einigen Ausführungsformen umfasst das System ein Reinigungssystem, das zum Reinigen der freigesetzten Kohlenstofffasern ausgelegt ist. In einigen Ausführungsformen umfasst das Reinigungssystem ein Filtrationssystem.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ein Extraktionslösungsmittelreservoir, das funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden ist, wobei das Extraktionslösungsmittel zu dem zweiten Behälter zugegeben oder aus ihm entfernt werden kann. In einigen Ausführungsformen umfasst das Extraktionslösungsmittel außerdem wenigstens ein weiteres Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System ein temperaturregelndes Element zum Kontrollieren der Temperatur des Extraktionsprozesses.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System eine Trocknungseinheit zum Trocknen der extrahierten Fasern von den Lösungsmitteln.
In einigen Ausführungsformen werden Zusammensetzungen bereitgestellt, die Furan-2-carbaldehyd und einen Harzverbundstoff umfassen. In einigen Ausführungsformen ist der Harzverbundstoff ein Epoxidverbundstoff, Polyesterverbundstoff, Polyamidverbundstoff oder ein Polyimidverbundstoff. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung Kohlenstofffasern. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung ein oder mehrere Quellmittel.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Die 1A–C zeigen Epoxidharze vor und nach der Behandlung. 1A zeigt ein Epoxidharz, bevor es behandelt wird. 1B zeigt eine Epoxidharzprobe, nachdem sie 8 Stunden bei 50°C teilweise in Furfural eingetaucht war. 1C zeigt eine Epoxidharzprobe, nachdem sie 8 Stunden bei 50°C teilweise in Furfural/DMSO eingetaucht war.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Diese Beschreibung ist nicht auf die beschriebenen speziellen Prozesse, Zusammensetzungen oder Methoden beschränkt, da diese variieren können. Die in der Beschreibung verwendete Terminologie dient nur dazu, die speziellen Versionen oder Ausführungsformen zu beschreiben, und es ist nicht beabsichtigt, den Umfang der hier beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Sofern nichts anderes definiert ist, haben alle technischen und wissenschaftlichen Begriffe, die hier verwendet werden, die gleichen Bedeutungen, wie sie gemeinhin von einem Fachmann verstanden werden. In einigen Fällen sind Begriffe mit gemeinhin verstandenen Bedeutungen hier zur Klarheit und/oder zur leichten Bezugnahme definiert und der Einschluss solcher Definitionen hier sollte nicht notwendigerweise so aufgefasst werden, dass er einen wesentlichen Unterschied gegenüber dem darstellt, was allgemein im Fachgebiet verstanden wird. Im Fall eines Konflikts gibt jedoch die Patentbeschreibung, einschließlich der Definitionen, den Ausschlag. Hier beschriebene Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern der Kontext nichts anderes gebietet.
Es muss auch angemerkt werden, dass so, wie sie hier und in den beigefügten Ansprüchen verwendet werden, die Singular-Formen ”ein”, ”eine” und ”der”, ”die”, ”das” eine Bezugnahme auf den Plural einschließen, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes gebietet.
So, wie sie in diesem Dokument verwendet werden, bedeuten die Begriffe ”umfassen”, ”haben” und ”einschließen” und ihre Konjugate, so wie sie hier verwendet werden, ”einschließlich, aber nicht beschränkt auf”. Wenngleich verschiedene Zusammensetzungen, Verfahren und Vorrichtungen in dem Sinn beschrieben werden, dass sie verschiedene Komponenten oder Schritte ”umfassen” (so interpretiert, dass es ”einschließlich, aber nicht beschränkt auf” bedeutet), können die Zusammensetzungen, Verfahren und Vorrichtungen auch aus den verschiedenen Komponenten und Schritten ”im Wesentlichen bestehen” oder ”bestehen”, und eine solche Terminologie sollte als im Wesentlichen abgeschlossene Gruppen definierend interpretiert werden.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen Verfahren zum Wiedergewinnen von wertvollen CFs unter Verwendung von spannungsrissbildenden Lösungsmitteln (Stress-Cracking-Lösungsmitteln) bereit. In einigen Ausführungsformen beruhen die Cracking-Lösungsmittel auf Furfural und seiner Kombination mit verschiedenen anderen quellenden und spannungsrissbildenden Lösungsmitteln einschließlich, aber nicht beschränkt auf Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, Propylencarbonat und dergleichen. Fulfural wird aus natürlichen Produkten wie Maiskolben gewonnen. Ohne auf eine Theorie festgelegt werden zu wollen, beruht das Phänomen der Lösungsmittel-Spannungsrissbildung auf der physikalischen Wechselwirkung des Lösungsmittels auf Basis von Furfural und seinen Zusammensetzungen mit der Epoxidharzverbundstoffmatrix, die zu einer Kristallisation und Rissbildung bzw. Zersplitterung zu feinem Pulver führt. Die CFs werden zum Beispiel aus der Matrix freigesetzt, wobei ihre strukturellen und mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen intakt bleiben. Das Verfahren findet bei sehr milden Bedingungen ohne Umweltbelastung statt, was vorteilhaft und besser im Vergleich zu früheren Verfahren ist.
Ohne auf eine Theorie festgelegt werden zu wollen, wird ein hochpolares Lösungsmittel oder Lösungsmittelzusammensetzung auf der Oberfläche adsorbiert/absorbiert und dringt dann allmählich in die Epoxidharzverbundstoffmatrix ein, was Risse in den Epoxidharzverbundstoffen verursacht. Es erfolgt eine Rissbildung bei dem Epoxidharzverbundstoff unter dem Einfluss der Lösungsmittelspannungen, wobei ein pulverförmiges Produkt erhalten wird. Wenn es gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird für, aber nicht beschränkt auf, die Rezyklierung von CFRPs, können die CFs intakt zurückgewonnen werden. Außerdem können die Verfahren überraschenderweise unter sehr milden Bedingungen mit wenig oder keiner Umweltbelastung durchgeführt werden. Zum Beispiel verbrauchen die Verfahren wenig Energie. Das heißt, im Vergleich zu anderen Verfahren ist für die hier beschriebenen Verfahren wenig Energie erforderlich, um die Kohlenstofffasern zurückzugewinnen. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber einem thermischen Abbau, Methoden mit einem überkritischen Lösungsmittel oder einer chemischen Zersetzung bei erhöhten Temperaturen und Druck, welche jeweils die Anwendung von äußerer Energie zum Betreiben der Rezyklierung der CFs erfordern. Außerdem erzeugen im Gegensatz zum thermischen Abbau in einigen Ausführungsformen die hier beschriebenen Verfahren wenig oder keine umweltverschmutzenden Zersetzungsprodukte.
In einigen Ausführungsformen ist das Lösungsmittel, welches zum Rezyklieren der CFs verwendet wird, Furfural, dessen Struktur nachstehend gezeigt ist:
Furfural kann aus natürlichen Materialien, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Maiskolben, Hafer, Weizenkleie und Sägemehl, gewonnen werden. Somit ist Furfural ein nachhaltiges Reagenz. Das Furfural kann durch ein beliebiges von zahlreichen Verfahren hergestellt werden, die im Fachgebiet bekannt sind.
In einigen Ausführungsformen wird das Furfural allein verwendet, um die Kohlenstofffasern zu rezyklieren. In einigen Ausführungsformen wird Furfural mit anderen quellenden und/oder rissbildenden Lösungsmitteln kombiniert, um die Kohlenstofffasern zu rezyklieren. Zu Beispielen für Quellmittel gehören Dimethylsulfoxid, Dimethylformamid und Propylencarbonat, sie sind aber nicht darauf beschränkt.
Das Lösungsmittel kann zum Beispiel verwendet werden, um Kohlenstofffasern aus gewöhnlichen Harzen zu rezyklieren, die ungesättigte Polyester, Epoxidharzverbundstoffe und ihre IPNs (interpenetrierenden Polymernetzwerke) einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind.
Zusätzlich zu den Vorteilen und überraschenden Ergebnissen, die hier beschrieben sind und die leicht ersichtlich sind, haben die hier beschriebenen Ausführungsformen auch die folgenden unerwarteten Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören ein extrem niedriger Energieverbrauch, ein vereinfachter Rezyklierungsprozess, der weniger Schritte erfordert und keine teure oder komplizierte Anlage erfordert, und dass das Lösungsmittel auf Furfural-Basis aus natürlichen Produkten gewonnen wird, was es zu einem nachhaltigen Lösungsmittel macht, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Zu weiteren Vorteilen gehören wenig oder keine kontaminierenden oder umweltverschmutzenden Nebenprodukte, die durch die hier offenbarten Verfahren erzeugt werden, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Ein weiterer Vorteil ist, dass die CFs im Wesentlichen intakt rezykliert werden, wogegen in früheren Verfahren die CFs abgebaut werden und den Rezyklierungsprozess schwieriger machen. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Ausführungsformen ist, dass das durch die hier beschriebenen Verfahren gebildete Epoxidharzpulver zum Beispiel ein hochaktiver Füllstoff oder Ausgangsmaterial für andere polymere Harze, Verbundstoffe oder IPNs ist. Im Gegensatz dazu führen frühere Verfahren, wie etwa ein thermischer Abbau, welcher gewöhnlich verwendet wird, zu zersetzten und oxidierten Abbauprodukten wie etwa Kohlendioxid, Stickstoffdioxid, Aminen und Alkoholen, welche die verbleibenden CFs kontaminieren und das Rezyklieren der CFs kompliziert machen. Im Gegensatz dazu erzeugen die vorliegenden Ausführungsformen keine solchen Nebenprodukte. Die vorliegenden Ausführungsformen können bei niedrigeren Temperaturen und atmosphärischen Drücken durchgeführt werden, wogegen frühere Verfahren erhöhte Temperaturen und Drücke erfordern. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Lösungsmittel, welches verwendet wird, Furfural, rezykliert werden kann, da das Lösungsmittel während des Prozesses nicht verändert wird, sondern vielmehr physikalisch mit dem rezyklierten Material wechselwirkt. Deshalb kann das Furfural wieder aufgefangen und rezykliert und wiederverwendet werden, was zu niedrigeren Kosten für die Fortsetzung des Rezyklierens von Kohlenstofffasern führt. Deshalb haben die hier beschriebenen Ausführungsformen unerwartete Vorteile, welche die Ausführungsformen besser machen als zuvor offenbarte Verfahren zum Rezyklieren von Kohlenstofffasern.
Ausführungsformen stellen auch Verfahren zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff bereit. In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Inkontaktbringen eines Harzverbundstoffs, der Kohlenstofffasern umfasst, mit einem Cracking-Lösungsmittel, um die Kohlenstofffasern aus dem Harzverbundstoff freizusetzen. In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff in das Cracking-Lösungsmittel eingetaucht. In einigen Ausführungsformen umfasst das Cracking-Lösungsmittel Furan-2-carbaldehyd. In einigen Ausführungsformen umfasst das Cracking-Lösungsmittel ein Quellmittel. In einigen Ausführungsformen umfasst das Cracking-Lösungsmittel wenigstens ein weiteres Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd. Zu Beispielen für Quellmittel oder andere Cracking-Agenzien gehören Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid und Propylencarbonat, sie sind aber nicht darauf beschränkt. Die Cracking-Agenzien und Quellmittel können allein oder in einer beliebigen Kombination miteinander verwendet werden. In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit dem Dampf des Cracking-Lösungsmittels in Kontakt gebracht. Deshalb kann der Harzverbundstoff in das Cracking-Lösungsmittel eingetaucht werden und/oder dem Dampf des Cracking-Lösungsmittels ausgesetzt werden. Das Eintauchen kann ein vollständiges Eintauchen oder teilweises Eintauchen sein. Der Harzverbundstoff kann auch mit dem Cracking-Lösungsmittel benetzt werden, wie etwa durch Aufstreichen des Lösungsmittels auf den Harzverbundstoff. In einigen Ausführungsformen ist der Harzverbundstoff in dem Cracking-Lösungsmittel teilweise untergetaucht oder vollständig untergetaucht.
Der Harzverbundstoff kann ein beliebiges Harz sein, welches Kohlenstofffasern haben kann, die gemäß den hier beschriebenen Verfahren rezykliert werden. In einigen Ausführungsformen ist das Harz ein Epoxidverbundstoff, Polyesterverbundstoff, Polyamidverbundstoff oder ein Polyimidverbundstoff oder eine beliebige Kombination davon. In einigen Ausführungsformen ist der Epoxidharzverbundstoff Bisphenol-A-Epoxidharz, Bisphenol-F-Epoxidharz oder Novolak-Epoxidharz (Phenol-Formaldehyd-Harz).
In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Lösungsmittel bei einer Temperatur von 50 Grad Celsius oder mehr in Kontakt gebracht. In einigen Ausführungsformen beträgt die Temperatur ungefähr 50 bis ungefähr 90, ungefähr 50 bis ungefähr 80, ungefähr 50 bis ungefähr 70, ungefähr 50 bis ungefähr 60, ungefähr 60 bis ungefähr 90, ungefähr 60 bis ungefähr 80, ungefähr 60 bis ungefähr 70, ungefähr 70 bis ungefähr 80, ungefähr 70 bis ungefähr 90 oder ungefähr 80 bis ungefähr 90 Grad Celsius. Zu speziellen Beispielen für Temperaturen gehören ungefähr 50 Grad Celsius, ungefähr 60 Grad Celsius, ungefähr 70 Grad Celsius, ungefähr 80 Grad Celsius, ungefähr 90 Grad Celsius und Bereiche zwischen beliebigen zwei von diesen Werten.
In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Lösungsmittel unter im Wesentlichen wasserfreien Bedingungen oder unter wasserfreien Bedingungen in Kontakt gebracht. In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Lösungsmittel bei einem ungefähr neutralen pH-Wert in Kontakt gebracht. In einigen Ausführungsformen beträgt der pH-Wert ungefähr 6,5 bis ungefähr 7,5, ungefähr 6,8 bis ungefähr 7,2 oder ungefähr 7,0.
In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Lösungsmittel ungefähr 1, ungefähr 1–2, ungefähr 1–3, ungefähr 1–4, ungefähr 1–6, ungefähr 1–8, ungefähr 1–12, ungefähr 1–16, ungefähr 1–20 oder ungefähr 1–24 Stunden in Kontakt gebracht.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren auch das Reinigen der Kohlenstofffasern, die aus dem Harz freigesetzt werden, davon, dass sie mit dem Cracking-Lösungsmittel in Kontakt gebracht werden. Deshalb stellen in einigen Ausführungsformen die Verfahren gereinigte Kohlenstofffasern bereit. In einigen Ausführungsformen umfasst der Reinigungsschritt das Filtrieren der freigesetzten Kohlenstofffasern. Das Filtrieren kann durch ein beliebiges Verfahren ausgeführt werden. Das Filtrieren kann auch durchgeführt werden, um das zersplitterte Verbundstoffharz von den rezyklierten Kohlenstofffasern zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Trocknen der gereinigten Kohlenstofffasern. In einigen Ausführungsformen umfasst das Trocknen das Erwärmen der gereinigten Kohlenstofffasern. In einigen Ausführungsformen werden die Fasern getrocknet, um wenigstens oder ungefähr 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 100% der Lösungsmittel oder Lösungen zu entfernen, die in den gereinigten Kohlenstofffasern zurückbleiben.
In einigen Ausführungsformen umfassen die Verfahren auch das Abtrennen, Rückgewinnen oder Rezyklieren des Cracking-Lösungsmittels von den freigesetzten Kohlenstofffasern und dem zersplitterten Verbundstoffharz. Das rezyklierte Cracking-Lösungsmittel kann dann wiederverwendet werden, falls dies gewünscht wird. Somit wird in einigen Ausführungsformen auch ein Verfahren bereitgestellt, welches das Inkontaktbringen des abgetrennten Extraktions-Cracking-Lösungsmittels mit einem anderen Harzverbundstoff umfasst, um Kohlenstofffasern aus dem anderen Harzverbundstoff zu extrahieren. Entsprechend wird das Cracking-Lösungsmittel rezykliert und wiederverwendet.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren das Inkontaktbringen des Harzverbundstoffs mit einem Quelllösungsmittel, um zum Beispiel den Harzverbundstoff zu delaminieren, bevor der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Agens in Kontakt gebracht wird. In einigen Ausführungsformen wird der Harzverbundstoff mit einem Quelllösungsmittel in Kontakt gebracht, nachdem der Harzverbundstoff mit dem Cracking-Agens in Kontakt gebracht wurde.
In einigen Ausführungsformen wird ein System zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen umfasst das System einen ersten Behälter, welcher funktionsfähig mit einem zweiten Behälter verbunden ist. Der erste Behälter kann den Harzverbundstoff enthalten, welcher die Kohlenstofffasern enthält, die rezykliert werden sollen. Der zweite Behälter kann das Extraktionslösungsmittel enthalten. Das Extraktionslösungsmittel kann ein oder mehrere Cracking-Agenzien und/oder ein oder mehrere Quellmittel enthalten. Der erste Behälter kann zum Beispiel eine Schale sein, welche den Harzverbundstoff enthalten kann. In einigen Ausführungsformen kann der erste Behälter funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden sein, so dass die Schale in das Extraktionslösungsmittel angehoben oder abgesenkt werden kann. In einigen Ausführungsformen ist der erste Behälter funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden, so dass Dämpfe, die von dem zweiten Behälter emittiert werden, der das Extraktionsmittel umfasst, mit dem ersten Behälter in Kontakt kommen, der das Epoxidharz umfasst. In einigen Ausführungsformen werden die Behälter gedreht, so dass das Lösungsmittel mit dem Epoxidharz vermischt wird. In einigen Ausführungsformen ist der erste Behälter funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden, so dass der erste Behälter in das Extraktionsmittel eingetaucht werden kann. In einigen Ausführungsformen sind die Behälter funktionsfähig mit einem Reservoir verbunden. In einigen Ausführungsformen werden, nachdem die Kohlenstofffasern durch das Extraktionslösungsmittel freigesetzt sind, die freigesetzten Fasern von dem Lösungsmittel gereinigt. Dies kann zum Beispiel erfolgen, indem man die Kohlenstofffasern und das Lösungsmittel in das Reservoir fließen lässt. Die Fasern können von dem Reservoir durch Standardverfahren gereinigt und/oder isoliert werden, zu denen eine Filtration und dergleichen gehört, die aber nicht darauf beschränkt sind. Das Extraktionslösungsmittel kann dann wiederverwendet werden, um zusätzliche Kohlenstofffasern aus dem zuvor behandelten Epoxidharz oder aus einem anderen Epoxidharz zu rezyklieren.
In einigen Ausführungsformen umfasst der zweite Behälter ein Filtrationssystem, so dass die Kohlenstofffasern von dem Extraktionslösungsmittel isoliert werden können. Das Extraktionslösungsmittel kann rezykliert und zum Extrahieren oder Freisetzen von zusätzlichen Kohlenstofffasern wiederverwendet werden. In einigen Ausführungsformen sind die Behälter durch ein System von Einlässen und Auslässen und Rohrleitungen funktionsfähig verbunden. Das Verbindungsverfahren kann jedoch ein beliebiges Verfahren sein, welches die Reinigung der rezyklierten Kohlenstofffasern ermöglicht.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System das Extraktionslösungsmittel, wobei das Extraktionslösungsmittel ein oder mehrere Cracking-Agenzien und ein oder mehrere Quellmittel umfasst. Bei dem einen oder mehreren Cracking-Agenzien und/oder einen oder mehreren Quellmitteln kann es sich um ein beliebiges Agens bzw. Mittel handeln, wie es hier beschrieben ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System wenigstens ein temperaturregelndes Element, um die Temperatur des Rissbildungs- bzw. Zersplitterungs- bzw. Crackingprozesses des Harzes zu kontrollieren. Das temperaturregelnde Element kann die Temperatur des Extraktionslösungsmittels kontrollieren. In einigen Ausführungsformen wird das System bei einer Temperatur betrieben, welche Dämpfe des Extraktionslösungsmittels erzeugt. Diese Dämpfe können dann mit dem Epoxidharz in Kontakt kommen gelassen werden, um zu ermöglichen, dass die Kohlenstofffasern freigesetzt und rezykliert werden. In einigen Ausführungsformen ist das temperaturregelnde Element ausgelegt, um das System bei einer Temperatur von 50 Grad Celsius oder mehr zu halten. In einigen Ausführungsformen ist das temperaturregelnde Element ausgelegt, um das System bei einer Temperatur von ungefähr 50 bis ungefähr 90, ungefähr 50 bis ungefähr 80, ungefähr 50 bis ungefähr 70, ungefähr 50 bis ungefähr 60, ungefähr 60 bis ungefähr 90, ungefähr 60 bis ungefähr 80, ungefähr 60 bis ungefähr 70, ungefähr 70 bis ungefähr 80, ungefähr 70 bis ungefähr 90 oder ungefähr 80 bis ungefähr 90 Grad Celsius zu halten. Zu speziellen Beispielen für Temperaturen gehören ungefähr 50 Grad Celsius, ungefähr 60 Grad Celsius, ungefähr 70 Grad Celsius, ungefähr 80 Grad Celsius, ungefähr 90 Grad Celsius und Bereiche zwischen beliebigen zwei von diesen Werten.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System wenigstens eine Trocknungseinheit. Die Trocknungseinheit kann zum Beispiel verwendet werden, um die extrahierten Fasern von den Lösungsmitteln zu trocknen. In einigen Ausführungsformen ist die Trocknungseinheit ausgelegt, um wenigstens, oder ungefähr, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100% der mit den rezyklierten Kohlenstofffasern vorhandenen Lösungsmittel zu entfernen.
In einigen Ausführungsformen umfasst das System einen dritten Behälter. Der dritte Behälter kann funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden sein. In einigen Ausführungsformen umfasst der dritte Behälter ein Quellmittel. Der dritte Behälter kann funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden sein, so dass das Quellmittel in den zweiten Behälter eingeführt werden kann. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um das Epoxidharz einem Extraktionslösungsmittel auszusetzen, das sowohl ein Cracking-Agens als auch ein Quellmittel umfasst. In einigen Ausführungsformen wird das Quellmittel direkt zu dem zweiten Behälter zugegeben.
Ausführungsformen stellen auch Zusammensetzungen bereit, die das Extraktionslösungsmittel Furan-2-carbaldehyd und einen Harzverbundstoff umfassen. In einigen Ausführungsformen ist der Harzverbundstoff ein Epoxidharzverbundstoff, Polyesterverbundstoff, Polyamidverbundstoff oder ein Polyimidverbundstoff. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung Kohlenstofffasern. Die Kohlenstofffasern können aus dem Harzverbundstoff freigesetzte Kohlenstofffasern sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung auch ein oder mehrere zusätzliche Cracking-Agenzien, bei dem (denen) es sich nicht um Furan-2-carbaldehyd handelt. In einigen Ausführungsformen umfasst die Zusammensetzung ein oder mehrere Quellmittel.
BEISPIELE
Beispiel 1: Verwendung von Furfural zum Rezyklieren von Kohlenstofffasern
Zylindrische Proben mit einem Durchmesser von 48 mm und einer Höhe von 50 mm wurden aus mit Isophorondiamin gehärtetem Novolak-Epoxidharz hergestellt, das Verstärkungsfasern enthielt. Die Proben wurden 16 Stunden bei 100°C nachgehärtet und anschließend auf Raumtemperatur gekühlt. Die Proben wurden in einem geschlossenen Behälter bis zu 1/3 ihrer Höhe in Furfural eingetaucht. Nach 24 Stunden bei Raumtemperatur war der eingetauchte Teil der Proben stark erodiert und der obere Teil, der nur den Dämpfen ausgesetzt war, war stark gequollen und expandiert, was in 1 gezeigt ist.
Beispiel 2: Verwendung von Furfuralmischungen zum Rezyklieren von Kohlenstofffasern
Proben aus verstärktem Epoxidharzverbundstoff, wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden in Mischungen aus Furfural und DMF, Furfural/DMSO, Furfural/Propylencarbonat (Verhältnisse von 1:1, 1:2, 1:3) eingetaucht. Die qualitativen Ergebnisse zeigten, dass die Proben eine höhere Quellrate aufwiesen, aber eine niedrigere Crackingrate beobachtet wurde.
Beispiel 3: Erhöhung der Temperatur erhöht das Cracking und die Rezyklierung
Die in den Beispielen 1 und 2 beschriebenen Verfahren wurden bei unterschiedlichen Temperaturen wie etwa 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 oder 100°C durchgeführt. Die qualitativen Ergebnisse zeigten, dass die Quell- und Crackingraten mit zunehmender Temperatur zunahmen. Es wird erwartet, dass das Ausführen dieser Crackingexperimente unter Druck die Crackingrate signifikant erhöht und die für das Rückgewinnungsverfahren benötigte Zeit verringert.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung hier für Zwecke der Veranschaulichung beschrieben worden sind und dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Entsprechend sollen die verschiedenen hier offenbarten Ausführungsformen nicht beschränkend sein.

Claims

Verfahren zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff, wobei das Verfahren umfasst: das Inkontaktbringen eines Harzverbundstoffs, der Kohlenstofffasern umfasst, mit einem Extraktionslösungsmittel, um die Kohlenstofffasern aus dem Harzverbundstoff freizusetzen, wobei das Extraktionslösungsmittel ein Cracking-Agens umfasst, welches Furan-2-carbaldehyd ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Extraktionslösungsmittel außerdem ein oder mehrere Quellmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Quellmittel Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid oder Propylencarbonat oder eine beliebige Kombination davon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Inkontaktbringen das Eintauchen des Harzes in das Extraktionslösungsmittel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Inkontaktbringen das Aussetzen des Harzes den Dämpfen des Extraktionslösungsmittels umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem umfassend das Reinigen der freigesetzten Kohlenstofffasern, um gereinigte Kohlenstofffasern bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Extraktionslösungsmittel außerdem wenigstens ein weiteres Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Harzverbundstoff ein Epoxidharzverbundstoff, Polyesterverbundstoff, Polyamidverbundstoff oder ein Polyimidverbundstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Epoxidharzverbundstoff Bisphenol-A-Epoxidharz, Bisphenol-F-Epoxidharz oder Novolak-Epoxidharz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schritt des Inkontaktbringens bei einer Temperatur von 50 Grad Celsius oder mehr durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Schritt des Inkontaktbringens bei einer Temperatur von ungefähr 50 Grad Celsius bis ungefähr 90 Grad Celsius durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren unter wasserfreien Bedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Verfahren bei einem ungefähr neutralen pH-Wert durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Reinigungsschritt das Filtrieren der freigesetzten Kohlenstofffasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Reinigungsschritt das Entfernen des zersplitterten Verbundstoffharzes von den Fasern umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, außerdem umfassend das Trocknen der gereinigten Kohlenstofffasern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, außerdem umfassend das Abtrennen des Extraktionslösungsmittels von den freigesetzten Kohlenstofffasern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, außerdem umfassend das Abtrennen des Extraktionslösungsmittels von den freigesetzten Kohlenstofffasern und dem zersplitterten Verbundstoffharz.
Verfahren nach Anspruch 13, außerdem umfassend das Inkontaktbringen des abgetrennten Extraktionslösungsmittels mit einem anderen Harzverbundstoff, um Kohlenstofffasern aus dem anderen Harzverbundstoff zu extrahieren.
System zum Extrahieren von Kohlenstofffasern aus einem Harzverbundstoff, wobei das System umfasst: einen ersten Behälter, der einen Harzverbundstoff umfasst, der Kohlenstofffasern umfasst; einen zweiten Behälter, der ein Extraktionslösungsmittel umfasst, wobei der erste Behälter funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden ist, so dass der Harzverbundstoff mit dem Extraktionslösungsmittel in Kontakt gebracht werden kann, wobei das Extraktionslösungsmittel ein Cracking-Agens umfasst, wobei das Cracking-Agens Furan-2-carbaldehyd umfasst.
System nach Anspruch 20, außerdem umfassend einen dritten Behälter, der ein oder mehrere Quellmittel umfasst, wobei der dritte Behälter funktionsfähig mit dem ersten Behälter verbunden ist, so dass der Harzverbundstoff mit dem einen oder mehreren Quellmitteln in Kontakt gebracht werden kann.
System nach Anspruch 20, außerdem umfassend ein Reinigungssystem, das zum Reinigen der freigesetzten Kohlenstofffasern ausgelegt ist.
System nach Anspruch 22, wobei das Reinigungssystem ein Filtrationssystem umfasst.
System nach einem der Ansprüche 20 bis 23, außerdem umfassend ein Extraktionslösungsmittelreservoir, das funktionsfähig mit dem zweiten Behälter verbunden ist, wobei das Extraktionslösungsmittel dem zweiten Behälter zugegeben oder daraus entfernt werden kann.
System nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei das Extraktionslösungsmittel außerdem wenigstens ein weiteres Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd umfasst.
System nach einem der Ansprüche 20 bis 25, außerdem umfassend ein temperaturregelndes Element zum Kontrollieren der Temperatur des Extraktionsprozesses.
System nach einem der Ansprüche 20 bis 26, außerdem umfassend eine Trocknungseinheit zum Trocknen der extrahierten Fasern von den Lösungsmitteln.
Zusammensetzung umfassend Furan-2-carbaldehyd und einen Harzverbundstoff.
Zusammensetzung nach Anspruch 28, wobei der Harzverbundstoff ein Epoxidharzverbundstoff, Polyesterverbundstoff, Polyamidverbundstoff oder ein Polyimidverbundstoff ist.
Zusammensetzung nach den Ansprüchen 28 oder 29, außerdem umfassend Kohlenstofffasern.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 28 bis 30, außerdem umfassend wenigstens ein Cracking-Agens zusätzlich zu Furan-2-carbaldehyd.
Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, außerdem umfassend ein oder mehrere Quellmittel.