TWI719595B

TWI719595B - 利用回收碳纖維來製備複合材料的方法

Info

Publication number: TWI719595B
Application number: TW108129593A
Authority: TW
Inventors: 沈銘原; 李有豐; 江金龍; 吳俊龍
Original assignee: 國立勤益科技大學
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2021-02-21
Also published as: TW202108684A

Abstract

一種利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，包含以下步驟：步驟(a)，對包含碳纖維及熱固性高分子的廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料進行熱處理，以使該熱固性高分子與該碳纖維分離，從而取得該碳纖維；步驟(b)，使該碳纖維與高分子組分進行混合處理，而獲得碳纖維複合材料，其中，該高分子組分包括熱塑性聚合物及熱固性聚合物中至少一者。

Description

利用回收碳纖維來製備複合材料的方法

本發明是有關於一種廢料之回收或加工，特別是指一種利用回收碳纖維來製備複合材料的方法。

纖維增強複合材(fiber reinforced polymer，簡稱FRP)是由包含增強纖維材料與基體材料的組分所形成，其中，該增強纖維材料例如玻璃纖維、碳纖維，或芳綸纖維等，而該基體材料例如熱塑性樹脂或熱固性樹脂。基於強度與輕量化的考量，在增強纖維材料的選擇上，通常以連續長碳纖維為主。由於包含碳纖維的纖維增強複合材在強度、輕量化、耐熱性及耐腐蝕性上具有優異的表現，因而廣泛地被應用於各領域中，例如碳纖維運動器材或交通運輸工具等。

由於包含碳纖維的纖維增強複合材被廣泛地應用，給人們生活帶來便利，並改善人們生活品質的同時，使用後的纖維增強複合材的廢棄量也與日俱增，對環境造成了不可忽視的負面影響。該廢棄纖維增強複合材的處理大都採用掩埋或焚燒的方式進行處理。然而，該掩埋方式存在有掩埋土地成本高、場址難尋、土地資源浪費，及對環境造成二次污染等問題，而焚燒方式會造成空氣污染的問題，甚至會釋出有害物質。此外，碳纖維在廢棄纖維增強複合材中的需求量大且價格昂貴，因此，對於高價值的碳纖維而言，使用掩埋或焚燒方式無疑地會造成碳纖維資源的浪費。

為解決掩埋或焚燒方式所產生的問題，目前的作法是回收廢棄纖維增強複合材並進行碎化處理，取得經碎化的回收複合材，然後，再利用至各領域中，然而，該方式所取得的經碎化的回收複合材雖能夠再次被應用，但該方式會導致廢棄的纖維增強複合材中的碳纖維長度在碎化的過程中變得更短，因而應用的領域通常只能用於建築填料、鋪路材料或水泥原料等，而存在有再利用經濟效益較低的問題。

因此，本發明的一目的，即在提供一種有效地回收碳纖維並提高回收碳纖維再利用的價值的利用回收碳纖維來製備複合材料的方法。

於是，本發明利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，包含以下步驟：步驟(a)，對包含碳纖維及熱固性高分子的廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料進行熱處理，以使該熱固性高分子與該碳纖維分離，從而取得該碳纖維；步驟(b)，使該碳纖維與高分子組分進行混合處理，而獲得碳纖維複合材料，其中，該高分子組分包括熱塑性聚合物及熱固性聚合物中至少一者。

本發明的另一目的，即在提供一種碳纖維複合材料。

本發明碳纖維複合材料，是由上述利用回收碳纖維來製備複合材料的方法所形成。

本發明的功效在於：透過步驟(a)，有效地從廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中取得碳纖維，再透過步驟(b)，提高回收的碳纖維再利用的價值。

本發明的其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明利用回收碳纖維來製備複合材料的方法的一第一實施例的步驟(a)中從廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中所取得的碳纖維的外觀照片。

以下將就本發明進行詳細說明。

本發明利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，包含以下步驟：步驟(a)，對包含碳纖維及熱固性高分子的廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料進行熱處理，以使該熱固性高分子與該碳纖維分離，從而取得該碳纖維；步驟(b)，使該碳纖維與高分子組分進行混合處理，而獲得碳纖維複合材料，其中，該高分子組分包括熱塑性聚合物及熱固性聚合物中至少一者。

[步驟(a)]

該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料例如來自網球拍、羽球拍、自行車及其零組件與相關配件、運輸工具(飛機、汽機車)等之零組件與相關配件。當該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料來自上述的配件時，該配件中的碳纖維層的厚度範圍為0.01mm至50mm。於步驟(a)中，在進行該熱處理前，對該配件進行高壓壓扁處理，以將該配件體積縮小化並取出內埋於該配件內的金屬零件。

在該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中的碳纖維的來源、型態、長度及直徑並無特別限制，可依據在步驟(b)的碳纖維複合材料的應用來考量。在本發明的一些實施例中，該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料的碳纖維的長度範圍為2cm至100cm。

該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料的熱固性高分子例如但不限於不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂(phenolic resin)、尿素甲醛樹脂(urea formaldehyde resin)、聚胺酯 (polyurethane)、聚醯亞胺(polyimide)，或三聚氰胺樹脂(melamine formaldehyde resins)等。

該熱處理例如利用輻射(例如微波)來進行、利用過熱蒸汽來進行，或利用傳遞介質(例如氣體)產生對流來進行。透過該熱處理，該熱固性高分子能夠被燃燒或分解(裂解)而成氣化物或液化物，從而透過移除該氣化物或液化物而與該碳纖維分離。該移除該氣化物或液化物的方式例如但不限於過濾方式。該熱處理是在惰性氣體存在下的無氧環境中進行。該惰性氣體例如但不限於氮氣。該熱處理的溫範圍為300℃至2200℃，依據能夠使該熱固性高分子被燃燒或分解(裂解)而成氣化物或液化物且不使該碳纖維受損[即維持在該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料的狀態，例如表面結構型態(例如表面光滑或平整等)]來考量，舉例來說，當該熱固性高分子為環氧樹脂時，該熱處理的溫度範圍為300℃至600℃。在本發明的一些實施例中，該熱處理的溫度範圍為300℃至600℃。該熱處理的時間並無特別的限制，依據能夠使該熱固性高分子被燃燒或分解(裂解)而成氣化物或液化物且不使該碳纖維受損來考量，舉例來說，當該熱固性高分子為環氧樹脂時，該熱處理的時間範圍為20分鐘至600分鐘。當該熱處理是利用微波來進行時，該熱處理的時間範圍為1分鐘至40分鐘。當該熱處理是利用過熱蒸汽來進行時，該熱處理的時間範圍為60分鐘至600分鐘。在本發明的一些實施例中，於該步驟(a)，是利用微波對該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料進行熱處理。該微波的頻率範圍依據能夠使該熱固性高分子被燃燒或分解(裂解)而成氣化物或液化物且不使該碳纖維受損來考量。該微波的頻率範圍例如為900MHz至2500MHz。在本發明的一些實施例中，該微波的頻率為2450MHz或915MHz。該微波是利用微波器來提供。該微波器的功率範圍例如為300W至20kW。

[步驟(b)]

在該高分子組分中，該熱固性聚合物可單獨一種使用或混合多種使用，且該熱固性聚合物例如但不限於不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、酚醛樹脂、尿素甲醛樹脂、聚胺酯、聚醯亞胺，或三聚氰胺樹脂等。

在該高分子組分中，該熱塑性聚合物可單獨一種使用或混合多種使用，且該熱塑性聚合物例如但不限於聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(acrylonitrile butadiene styrene copolymer，簡稱ABS)、熱塑性聚胺酯(thermoplastic polyurethanes，TPU)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯醚(polyphenylene ether，簡稱PPE)、聚碳酸酯(polycarbonate，簡稱PC)、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醯胺(polyamide，簡稱PA)、聚對苯二甲酸乙二酯 (polyethylene terephthalate，簡稱PET)、聚對苯二甲酸丁二酯(polybutylene terephthalate，簡稱PBT)、聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，簡稱PPS)、聚醚醚酮(polyetheretherketone，簡稱PEEK)、液晶聚合物(liquid crystal polymer，簡稱LCP)、聚氧苯甲醯(polyoxybenzoyl，簡稱POB)、聚鄰苯二甲醯胺(polyphthalamide，簡稱PPA)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，簡稱PTFE)、聚醚醯亞胺(polyetherimide，簡稱PEI)、聚醚碸(polyethersulfone，簡稱PES)、聚醯胺醯亞胺(polyamide-imide，簡稱PAI)，或聚碸(polysufone，簡稱PSF)等。

在本發明的一些實施例中，以該碳纖維複合材料的總量為100wt%計，在該碳纖維複合材料中的碳纖維的量的範圍為10wt%至80wt%。舉例來說，當該碳纖維複合材料中的高分子組分為熱塑性聚合物時，在該碳纖維複合材料中的碳纖維的量的範圍為10wt%至50wt%。當該碳纖維複合材料中的高分子組分為熱固性聚合物時，在該碳纖維複合材料中的碳纖維的量的範圍為40wt%至80wt%。

當該高分子組分包括熱固性聚合物時，在本發明的一些實施例中，於該步驟(b)，該混合處理是使該碳纖維與高分子組分形成團狀模塑(bulk molding compound，簡稱BMC)或片狀模塑 (sheet molding compound，簡稱SMC)]。

當該高分子組分包括熱塑性聚合物時，在本發明的一些實施例中，於該步驟(b)，該混合處理是使該碳纖維與高分子組分進行混練(compounding)及造粒。為減少在該混合處理的過程中該碳纖維的長度因剪切力過大而變得過短(例如低於2cm)的情況發生或當從該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中所取得的碳纖維在尺寸上呈現不規則時，該混練及造粒是利用剪切力較小的利拿混煉機(kneader)或萬馬力混練機(banbury mixer)中一者來進行。

本發明利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，還包含在步驟(b)後的步驟(c)，在該步驟(c)中，對該碳纖維複合材料進行成型處理。

[步驟(c)]

該成型處理依據該高分子組分來選擇，且該成型處理例如但不限於射出成型處理、押出成型處理、熱壓成型處理，或真空成型處理等。

當該高分子組份包括熱固性聚合物時，施予熱壓成型及真空成型處理中一者。

當該高分子組份包括熱塑性聚合物時，施予射出成型處理、押出成型處理、熱壓成型處理，及真空成型處理中一者。

[碳纖維複合材料]

該碳纖維複合材料能夠應用於樂器(例如弦樂器殼體)、運動器材(例如球拍或自行車零組件等)、3C用品(例如手機或電腦等外殼或零組件等)、運輸用品(例如汽車、機車，或航空零組件等)，或其他工業與民生用品上。

本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。

第一實施例

步驟(a)，利用一台熱壓機，將直徑為10±5cm的自行車碳纖維管件進行高壓壓扁處理，以使該管件的直徑被壓扁至3±1cm，接著，從被壓扁的管件中取出內埋於該管件中的金屬零件，而留下的部分即為廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料。提供500克的廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料，且包含約325±25克的碳纖維(長度為10±5cm)及175±25克的環氧樹脂。將該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料置於一台微波器中，並在氮氣存在下的無氧環境中進行熱處理，其中，該熱處理的溫度約為450±50℃且時間為1~20分鐘，而該微波器的功率為1000±200W且該微波器提供的微波的頻率為2450MHz。在該熱處理的過程中，該環氧樹脂被燃燒形成氣化物，而與固態的碳纖維分離，從而從該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中取得該碳纖維。該碳纖維的回收率為95±3%，且參閱圖1可知，本發明利用回收碳纖維來製備複合材料的方法的步驟(a)確實能夠有效地從廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中取得碳纖維，而該碳纖維的長度為10±5cm。此外，該碳纖維表面光滑完整，且無環氧樹脂殘留，同時，型態均一，並與存在於該廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中時的型態一致。

步驟(b)，利用萬馬力混練機(廠牌：筌盛；型號：YKI-3)，將1200克於步驟(a)中所取得的碳纖維與1800克的尼龍塑膠(廠牌：Arkema；型號：hiprolon 90nn；成分：PA612；熔點：215℃)進行混練及造粒，形成粒徑為1±0.5cm的碳纖維複合材料，其中，該混練及造粒處理中該混練的溫度為215℃。

步驟(c)，利用射出成型機(廠牌：台灣今機；型號：TKC-7000)，將步驟(b)的碳纖維複合材料置於該射出成型機的模具中並進行成型處理，其中，該成型處理的溫度為225±25℃，而該模具的溫度為110℃。

第二實施例

第二實施例是以與該第一實施例相同步驟進行，不同主要在於：在該第二實施例中，於步驟(b)，利用捏合機(廠牌：仁億工業)，將1000克於步驟(a)中所取得的碳纖維與1000克的環氧樹脂(廠牌：華宏新技公司)進行混合，形成團狀模塑的碳纖維複合材料。於步驟(c)，利用熱壓成型機(廠牌：鼎益機械廠；型號：200TON)，將步驟(b)的碳纖維複合材料進行成型處理，其中，該成型處理的參數條件為將BMC團料秤取所需重量，並置於模具中，再以100~150℃之溫度、500~1500psi之壓力進行熱壓成型。

第三實施例

第三實施例是以與該第二實施例相同步驟進行，不同主要在於：於步驟(b)，是形成片狀模塑的碳纖維複合材料。

綜上所述，本發明透過步驟(a)，有效地從廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料中取得碳纖維，再透過步驟(b)，使該碳纖維與高分子組分進行混合處理，從而提高回收碳纖維再利用的價值，故確實能達成本發明的目的。

惟以上所述者，僅為本發明的實施例而已，當不能以此限定本發明實施的範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋的範圍內。

Claims

一種利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，包含以下步驟：步驟(a)，利用微波對包含碳纖維及熱固性高分子的廢棄碳纖維補強熱固性高分子複合材料進行熱處理，以使該熱固性高分子與該碳纖維分離，從而取得該碳纖維，其中，該熱處理是在惰性氣體存在下的無氧環境中進行；及步驟(b)，使該碳纖維與高分子組分進行混合處理，而獲得碳纖維複合材料，其中，該高分子組分包括熱塑性聚合物及熱固性聚合物中一者，其中，當該高分子組分包括熱固性聚合物時，該混合處理是使該碳纖維與高分子組分形成團狀模塑，而當該高分子組分包括熱塑性聚合物時，該混合處理是利用利拿混煉機及萬馬力混練機中一者使該碳纖維與高分子組分進行混煉及造粒。
如請求項1所述的利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，其中，在該步驟(b)中，該熱固性聚合物選自於不飽和聚酯、環氧樹脂、酚醛樹脂、尿素甲醛樹脂、聚胺酯、聚醯亞胺、三聚氰胺樹脂，或上述任意的組合。
如請求項1所述的利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，其中，在該步驟(b)中，該熱塑性聚合物選自於聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、熱塑性聚胺酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯醚、聚碳酸酯、聚碳酸酯/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚醯胺、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮、液晶聚合物、聚氧苯甲醯、聚鄰苯二甲醯胺、聚四氟乙烯、聚醚醯亞胺、聚醚碸、聚醯胺醯亞胺、聚碸，或上述任意的組合。
如請求項2至3中任一項所述的利用回收碳纖維來製備複合材料的方法，其中，在該步驟(b)中，以該碳纖維複合材料的總量為100wt%計，在該碳纖維複合材料中的碳纖維的量的範圍為10wt%至80wt%。