WO2019153217A1 - 自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法 - Google Patents

Abstract

一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，其包括下述步骤： (A)于25℃～75℃的反应温度将碳纤维增强无机(水泥基)复合材料置于电解液中，其中该电解液含有重量比为0.5％～3％的NaCl和1.0g/L～5g/L的催化剂； (B)对放置在电解液中的碳纤维增强水泥基复合材料通电，其中该碳纤维增强水泥基复合材料与电源的正极相连，控制电流密度为3333.3～6666.7mA/m ²；和 (C)通电反应0.5-200小时后，自该电解液中取出生成的碳纤维回收物。

Description

自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法 技术领域

本发明涉及碳纤维的回收和再利用，尤其涉及一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法。

背景技术

碳纤维具有拉伸强度大、杨氏模量高、腐蚀抵抗性强、惰性氛围耐超高温、电磁波屏蔽性优异、生物相容性好和柔软可塑性强等优点。碳纤维制备技术经过半个多世纪的发展，发展了种类繁多的碳纤维原料，比如黏胶碳纤维、聚丙烯腈纤维(PAN)、沥青纤维、聚苯并咪唑纤维和聚酯纤维等。

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)是以碳纤维作为增强体，有机环氧树脂为基体制作而成的复合材料。CFRP具有自重轻、耐腐蚀、抗拉强度高等优点，在航空航天、工业制造和体育用品等领域应用越来越广。2012年，世界范围内的碳纤维需求量为4.35万吨，预测2020年将达到13万吨。

在土木工程领域，CFRP可采用有机环氧树脂胶凝材料固化后，粘贴或布置在结构表面或内部，提高结构承载力。环氧树脂胶含有多种极性基团和活性很大的环氧基，同时环氧固化物的内聚强度也很大，所以其胶接强度很高。但由于环氧树脂胶耐老化、耐腐蚀、耐湿热性能较差，抗剥离、抗开裂、抗冲击性能也不高，从上世纪90年代开始，土木工程中也采用无机胶凝材料，例如各种改性水泥净浆、砂浆和/或混凝土等水泥基材料、或碱基发材料等，粘结CFRP，形成碳纤维增强无机(水泥基)复合材料，进而加固建筑结构。无机胶凝材料具有腐蚀抵抗性能优良、强度高与韧性强等优异力学性能，与水泥或混凝土等传统土木工程结构材料粘结较好，因此加固材料(CFRP)与原结构可以共同工作，加固性能更好。

然而，CFRP等高性能纤维复合材料在土木工程领域的广泛应用，也带来了极其严重的建筑废弃物处理问题。同时，高性能纤维增强复合材料在寿命终结期后仍然保持良好的性能，经济价值较高，实现高性能纤维增强复合材料回收与再利用具有重要经济价值和社会意义。但是，采用水泥基胶凝材料结构加固用的CFRP在拆除后，碳纤维材料的建筑垃圾上会附着有很难剥离的水泥等无机材料，处理难度更大。

关于纤维增强复合材料废弃物的回收与应用研究，已经有大量学者与机构参与，国外特别是欧美和日本等发达国家凭借其产业和技术的先行优势，很早就开始进行纤维增强 复合材料废弃物的回收与再利用研究。然而，现有的各种碳纤维回收方法，都是针对以环氧树脂胶为基体材料和胶凝材料的，而针对碳纤维增强无机复合材料的碳纤维回收研究目前尚未有公开报导。

鉴于此，本发明提供一种技术可行、操作简便和经济效益高，同时兼顾环境保护的自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，不仅有利于碳纤维材料的回收再利用，还可以解决建筑垃圾的处理问题，具备重要的经济价值和社会意义。

发明内容

本发明的主要目的在于其提供一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，其中本发明提供的该碳纤维回收方法具有工艺步骤简单、难度低、回收率高、成本低和纤维损伤小等优点。

本发明的另一目的在于其提供一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，其中本发明提供的该碳纤维回收方法不仅能够回收碳纤维，还能够同时回收树脂材料，并分解无机胶凝材料，从而减小含CFRP的建筑垃圾处理难度，并更大限度地使碳纤维增强水泥基复合材料废弃物得到回收和再利用，具有重大环保价值和重要社会意义。

本发明的另一目的在于其提供一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，其中本发明提供的该碳纤维回收方法的所需化学试剂毒性小、对生产设备的要求低、反应条件温和。本发明提供的该碳纤维回收方法无需对碳纤维增强复合材料进行剪切和/或破碎处理，因此，可以对任意尺寸的材料进行回收。同时，无需对碳纤维增强复合材料进行剪切和/或破碎处理，也使得回收得到的碳纤维材料的力学性能几乎未收到任何损伤，回收得到的碳纤维材料的经济价值更高。

本发明的另一目的在于其提供一种用于自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的组合物。

本发明的其它优势和特点通过下述的详细说明得以充分体现并可通过所附权利要求中特地指出的手段和装置的组合得以实现。

依本发明，能够实现前述目的和其他目的和优势的本发明自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法包括下述步骤:

(A)于25℃～75℃的反应温度将碳纤维增强无机(水泥基)复合材料置于电解液中，其中该电解液含有重量比为0.5％～3％的NaCl和1.0g/L～5g/L的催化剂；

(B)对放置在电解液中的碳纤维增强水泥基复合材料通电，其中该碳纤维增强水泥 基复合材料与电源的正极相连，控制电流密度为3333.3～6666.7mA/m ²，其中所述电流密度的大小根据所述碳纤维增强无机(水泥基)复合材料中碳纤维材料浸泡于所述电解液内的表面积大小进行计算；和

(C)通电反应0.5-200小时后，自该电解液中取出生成的碳纤维回收物。

在一实施例中，其中在步骤(C)之后进一步包括步骤：

(D)冲洗自该电解液中取出的碳纤维回收物，以清除无机(水泥基)凝胶材料。

在一实施例中，其中根据步骤(D)，所述碳纤维回收物表面被设置有间隔分布的孔洞。

在一实施例中，其中根据步骤(D)，各所述孔洞之间的间隔大于0.1mm，冲洗水压高于0.1MPa，冲洗时间不少于3秒。

依本发明较佳实施例，本发明进一步提供一种用于自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的电解液，其含有：

0.5％～3％的NaCl；

1.0g/L～5g/L的HNO ₃；和

80％～98％的水。

通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。

本发明的这些和其它目的、特点和优势，通过下述的详细说明，附图和权利要求得以充分体现。

附图说明

图1A显示的是碳纤维电化学回收系统的结构示意图。

图1B和图1C显示的是碳纤维增强水泥基复合材料试件的结构示意图。

图2显示的是自碳纤维增强水泥基复合材料回收得到的碳纤维回收物。

图3A显示的是未经电化学回收处理的碳纤维增强水泥基材料的水泥基与碳纤维相接的界面。

图3B显示的是图3A中方框处部位的细节放大。

图3C显示的是碳纤维回收物的水泥基材料和碳纤维相接的界面。

图3D显示的是图3C中方框处部位的细节放大。

图4显示的是不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本回收得到的碳纤维的量。

图5显示的是反应过程中，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的电压。

图6显示的是不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维单丝拉伸强度。

图7显示的是不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的界面剪切强度。

图8A显示的是碳纤维原丝的表面破坏模式。

图8B显示的是I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图8C显示的是I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图8D显示的是I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图8E显示的是I40S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图8F显示的是I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图8G显示的是I40S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图9A显示的是碳纤维原丝表面的SEM扫描图像。

图9B显示的是I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图9C显示的是I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图9D显示的是I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图9E显示的是I40S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表SEM扫描图像。

图9F显示的是I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图9G显示的是I40S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图10A和图10B显示的是碳纤维原丝表面的AFM扫描图像。

图10C和图10D显示的是I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的 碳纤维的AFM扫描图像。

图10E和图10F显示的是I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的AFM扫描图像。

图10G和图10H显示的是I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的AFM扫描图像。

图10I和图10J显示的是I40S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表AFM扫描图像。

图10K和图10L显示的是I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的AFM扫描图像。

图10M和图10N显示的是I40S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的AFM扫描图像。

图11A显示的是碳纤维原丝表面的XPS(X射线光电子能谱扫描)扫描全谱图像。

图11B显示的是碳纤维原丝表面的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图11C显示的是I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图11D显示的是I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图11E显示的是I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图11F显示的是I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图11G显示的是I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图11H显示的是I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图12显示的是不同温度条件下，碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的量。

图13显示的是不同温度条件下，反应过程中，碳纤维增强水泥基复合材料样本的电压。

图14显示的是不同温度条件下，自碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳 纤维的单丝拉伸强度。

图15显示的是不同温度条件下，自碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的界面剪切强度。

图16A显示的是I20S _2.0H ₃T ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图16B显示的是I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图16C显示的是I20S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图16D显示的是I40S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图16E显示的是I20S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图16F显示的是I40S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式。

图17A显示的是I20S _2.0H ₃T ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图17B显示的是I40S _2.0H ₃T ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图17C显示的是I20S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图17D显示的是I40S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图17E显示的是I20S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表SEM扫描图像。

图17F显示的是I40S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的SEM扫描图像。

图18A显示的是I20S _2.0组碳纤维增强水泥基复合材料样本于不同温度梯度下回收得到的碳纤维的XRD扫描图谱。

图18B显示的是I40S _2.0组碳纤维增强水泥基复合材料样本于不同温度梯度下回收得 到的碳纤维的XRD扫描图谱。

图19A显示的是I20S _2.0H ₃T ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图19B显示的是I20S _2.0H ₃T ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图19C显示的是I20S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图19D显示的是I20S _2.0H ₃T ₂组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图19E显示的是I20S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像。

图19F显示的是I20S _2.0H ₃T ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像。

图20A显示的是I20S _2.0组碳纤维增强水泥基复合材料样本于不同催化剂浓度下回收得到的碳纤维的XRD扫描图谱。

图20B显示的是I40S _2.0组碳纤维增强水泥基复合材料样本于不同催化剂浓度下回收得到的碳纤维的XRD扫描图谱。

具体实施方式

下述描述被揭露以使本领域技术人员可制造和使用本发明。下述描述中提供的较佳实施例仅作为对本领域技术人员显而易见的示例和修改，其并不构成对本发明范围的限制。下述描述中所定义的一般原理可不背离本发明精神和发明范围地应用于其它实施例、可选替代、修改、等同实施和应用。

参考说明书附图之图1A至图20B，依本发明较佳实施例的用于自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法被详细说明，示例性的，采用碳纤维增强水泥基材料解释具体实施方式，其中所述自碳纤维增强水泥基复合材料(废弃物)中回收碳纤维的方法包括下述步骤:

(A)于25℃～75℃的反应温度将碳纤维增强水泥基复合材料放置在电解液中，其中该电解液含有重量比为0.5％～3％的NaCl和1.0g/L～5g/L的催化剂；

(B)对放置在电解液中的碳纤维增强水泥基复合材料通电，其中该碳纤维增强水泥基复合材料与电源的正极相连，控制电流密度为3333.3～6666.7mA/m ²，其中所述电流密 度的大小根据所述碳纤维增强无机(水泥基)复合材料中碳纤维材料浸泡于所述电解液内的表面积大小进行计算；和

(C)通电反应0.5-200小时后，自该电解液中取出生成的碳纤维回收物。

值得一提的是，在本发明的所述自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法的一些实施例中，所述自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法于该步骤(C)之后进一步包括步骤：

(D)冲洗自该电解液中取出的碳纤维回收物，以清除水泥基凝胶。

进一步的，在该步骤(D)中，其中所述碳纤维回收物表面被设置有间隔分布的孔洞，特别地，各所述孔洞之间的间隔大于0.1mm，冲洗水压高于0.1MPa，冲洗时间不少于3秒。在本文中，电解液指的是含有NaCl、水和催化剂，其被用于自碳纤维增强水泥基复合材料回收碳纤维。示例性地，NaCl浓度分别以重量百分比计量，例如NaCl浓度可为x1(0.5％)、x2(1％)、x3(2％)和x4(3％)。电流(I)大小的衡量尺度为mA，如20mA、40mA。在示例中，当忽略CFRP的厚度时，CFRP试件暴露于电解液中的实验表面积(A)为2×100mm×30mm＝6000mm ²，因此对应的电流密度(i＝I/A)分别为3333.3、6666.7mA/m ²。具体的碳纤维增强水泥基复合材料的分组及实验参数见表5.1，其中碳纤维增强水泥基复合材料试件的编号由作用电流强度、NaCl浓度、HNO ₃浓度和温度共同确定，比如试件编号“I20S _2.0H ₃T ₄₀”，第一部分“I20”是指试件施加的恒定电流强度是20mA，第二部分“S _2.0”是指电解液中浓度NaCl为去离子水质量的2％，第三部分“H ₃”是指每升电解液中添加的HNO ₃浓度为3g/L。第四部分“T ₄₀”是指实验过程中电解液的温度保持在40℃。无第四部分时表明试验在室温中进行(温度为25度)

如说明书附图之图1A所示，自CFRP增强水泥基复合材料回收碳纤维的(电化学)回收系统包括直流电源，为系统提供单向工作电流；阴阳极材料，其中待回收的碳纤维增强水泥基复合材料板(回收样本)作为阳极与电源正极相连，不锈钢片作为阴极与电源负极相连；电解液，含有NaCl、水(溶剂)和催化剂；数据记录仪(Datalog)，与回收样本及不锈钢片并联，监测样本电压变化。示例性地，碳纤维增强水泥基复合材料板与不锈钢片平行放置，且两者距离固定为50mm。

如说明书附图之图2所示，经点化学处理，自碳纤维增强水泥基复合材料回收得到的碳纤维回收物，质地较软。

如说明书附图之图3A和图3B所示，未经电化学回收处理的碳纤维增强水泥基材料的水泥基与碳纤维相接的界面，其棱状沟槽结构完整和规则，能够与碳纤维形成强大的机械咬合作用，界面只有极小的孔洞，看不到裂缝裂纹等缺陷。

如说明书附图之图3C和图3D所示，碳纤维回收物的水泥基材料和碳纤维相接的界面的规则菱形沟槽结构已经被纵横向的大裂缝所斩断分割成破碎的小单元，呈蓬松状，同时还有很多较大的裂纹孔洞分布其中，孔隙率剧烈增大，界面已经完全丧失了与碳纤维的机械咬合作用，粘结力大幅度下降。

如说明书附图之图4所示，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本回收得到的碳纤维的量有所不同，碳纤维回收量随HNO ₃浓度增大呈现先增后降趋势，HNO ₃浓度为3g/L时，碳纤维回收量最大。在HNO ₃浓度为1g/L分组中，碳纤维回收量明显降低。

如说明书附图之图5所示，反应过程中，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的电压变化。其中H ₀组样本的电压最高，相对波动最大；H ₅组样本的电压低于H ₀组，但仍然比较高；H ₃与H ₁组样本电压较低。在总体上，I40系列样本电压比I20系列大，S _3.0系列样本电压比S _2.0系列大。

如说明书附图之图6所示，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维单丝拉伸强度，其中回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度随HNO ₃浓度增大而呈下降趋势，在0～3(g/L)的HNO ₃浓度区间，碳纤维的拉伸强度下降幅度较小，3～5(g/L)的HNO ₃浓度区间，回收得到的碳纤维拉伸强度急剧下降。

如说明书附图之图7所示，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的界面剪切强度，其中回收得到的碳纤维的界面剪切强度随HNO ₃浓度增大而下降，但是H ₁和H ₃组回收得到的碳纤维比原丝剪切强度大。

如说明书附图之图8A所示，碳纤维原丝的表面破坏模式为DB。

如说明书附图之图8B所示，I20S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式为DB。

如说明书附图之图8C所示，I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式为DB。

如说明书附图之图8D所示，I20S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式为CB。

如说明书附图之图8E所示，I40S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式为CB。

如说明书附图之图8F所示，I20S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式为CB。

如说明书附图之图8G所示，I40S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到 的碳纤维的表面破坏模式为EB。

如说明书附图之图9A所示，碳纤维原丝表面的SEM扫描图像显示其表面光滑。

如说明书附图之图9B和图9C所示，I20S _2.0H ₁组和I40S _2.0H ₁组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维表面除了附着有极少量的水泥凝胶外，并未看到裂纹裂缝凹坑等缺陷，十分完整。

如说明书附图之图9D和图9E所示，I20S _2.0H ₃组和I40S _2.0H ₃组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维表面很干净，极少水泥凝胶颗粒残留，但是在个别根数的碳纤维表面发现有横向裂纹，在裂纹处形成薄弱层，造成碳纤维拉伸强度下降。

如说明书附图之图9F和图9G所示，I20S _2.0H ₅组和I40S _2.0H ₅组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维表面的水泥凝胶颗粒较多，在碳纤维表面发现有纵向裂缝和横向裂纹，且深度不浅，减小了碳纤维的受力截面，因此H ₅系列回收得到的碳纤维的拉伸强度严重下降。

如说明书附图之图10A至图10N所示，各个分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的AFM扫描图像表明，当HNO ₃浓度较低时，电化学回收过程的小量氧化刻蚀会增大碳纤维的界面剪切强度，而HNO ₃浓度增大到一定程度时，过量的氧化刻蚀反而使碳纤维的界面剪切强度降低。

如说明书附图之图11A至图11H所示，各个分组碳纤维增强水泥基复合材料样本回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像和C1s高分辨率窄谱图像表明，碳纤维在回收过程经历了一定程度的氧化，表面含氧量增大，提高了表面活性，并且O～C＝O键出现，极大提高了碳纤维与环氧树脂的化学键结合能力；从回收得到的碳纤维的氧碳比和官能团含量来看，HNO ₃浓度为1(g/L)时，碳纤维氧化程度过低，当HNO ₃浓度为3(g/L)时，碳纤维氧化程度最好，增大HNO ₃浓度只是使碳纤维表面C＝O键增多。

如说明书附图之图12所示，不同温度条件下，碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的量随温度的升高呈现先高后低趋势，在温度为40℃时，碳纤维回收量最大。

如说明书附图之图13所示，不同温度条件下，反应过程中，碳纤维增强水泥基复合材料样本的电压表明，碳纤维增强水泥基复合材料样本的电压较低，不同分组样本的电压差异值很小，表明在高温条件下，样本的系统阻值非常小，且所有样本的电压在电化学回收周期基本保持稳定。

如说明书附图之图14所示，不同温度条件下，自碳纤维增强水泥基复合材料样本的 回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度随温度的增加呈现先下降然后一直缓慢上升的趋势。

如说明书附图之图15所示，不同温度条件下，自碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的界面剪切强度的随温度升高，出现先下降然后增高再下降趋势。

如说明书附图之图16A至图16F所示，各个分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的表面破坏模式，除了I40S _2.0H ₃T ₂的破坏模式为CB，其他样本的破坏模式均为DB。

如说明书附图之图17A至图17F所示，各个分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维表面裂纹裂缝等缺陷较少，说明缩短回收周期减少回收过程的氧化和腐蚀等损伤。

如说明书附图之图19A至图19F所示，各个分组碳纤维增强水泥基复合材料样本的回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱图像和XPS扫描C1s高分辨率窄谱图像表明，相比常温状态T ₀(25℃)，高温状态下碳纤维表面引入的氧更多；在温度为T ₁(40℃)时，回收得到的碳纤维表面的氧含量及强亲水性官能团O～C＝O含量最多，随着温度的继续上升二者而有所下降；然而碳纤维表面C～Cl键含量高达8.2％，受到较为严重的氯化，造成碳纤维拉伸强度及剪切强度一定程度下降。

进一步地，本文将结合下述具体示例，详细说明本发明。

示例1：原材料(碳纤维增强水泥基复合材料)的准备

本实验的碳纤维增强水泥基复合材料由CFRP和水泥基胶凝材料两大部分组成。

CFRP材料选用南京海拓复合材料公司生产的HITEX-C300型号碳纤维布，为12K单向编织布，密度为300g/m2。水泥选用东莞产地的华润牌PO42.5R极普通复合硅酸盐水泥。硅粉为产自上海的西肯硅粉，高分子聚合物为DY-5025(德国)型号的可再分散粉。选用香港卡本有限公司生产的碳纤维短丝，长度约为3mm。选用西陇化工有限公司生产的氯化钠(分析纯)和HNO ₃(分析纯)，氯化钠的质量分数为99.5％，B的质量分数为65％—68％。在碳纤维增强水泥基复合材料中，碳纤维布居于中间，水泥基材料的具体成分及含量见表1.1。

碳纤维增强水泥基复合材料试件尺寸为30mm×245mm×4mm。沿碳纤维增强水泥基复合材料厚度方向，上下各为约2毫米厚的水泥基材料，中间是碳纤维布，如图1B和图1C所示。沿其长度方向被分为三个区域，分别为：一区即为试验区(Test region)，被用来回收碳纤维的区域，长度为100mm；二区即保护区(Protected region),该区域绝缘防 水，以确保试验区面积在实验过程中的保持大小一致，长度为80mm；三区即接电区(Electrical connection region)，用来连接线路不锈钢片接头，保证电路连通性，长度为65mm，为了取得更好的导电性，其中后面20mm为碳纤维布，与不锈钢片连接。因此，上述碳纤维增强水泥基复合材料中碳纤维材料浸泡于上述回收装置中电解液内的表面积大小为100mm×30mm×2＝6000mm ²。

复合材料的制作过程尽量接近土木工程领域施工方法，浇筑1天后拆模，然后放进标准养护室养护28天。养护结束后的复合材料放置在实验室条件下7天，自然干燥，然后进行保护区封装。保护区由五层组成，由里及外分别为卡夫特硅橡胶—绝缘胶带—环氧密封胶—绝缘胶带—环氧密封胶。首先在干净干燥的复合材料板试件保护区表面涂刷一层均匀的卡夫特硅橡胶，置于实验室条件下24小时自然晾干；然后在硅橡胶面使用绝缘胶布包裹；接着使用环氧密封胶进行固封，置于实验室条件下48小时自然固化；然后再使用绝缘胶布包裹；最后再使用环氧密封胶进行固封，置于实验室条件下48小时自然固化。

表1.1碳纤维增强水泥基胶凝材料的具体成分含量

示例2：回收实验系统与实验参数设计

如附图之图1A所示，碳纤维(实验)回收系统装置主要包括四部分组成：直流电源，为系统提供单向工作电流；阴阳极，回收样本作为阳极与电源正极相连，消耗降解水泥基胶体，不锈钢片作为阴极与电源负极相连；电解液，包括不同浓度的NaCl基础溶液与催化剂HNO ₃；数据记录仪(Datalog)，与回收样本及不锈钢片并联，监测样本电压变化。回收样本与不锈钢片平行放置并且距离固定为50m。

实验设计主要考虑参数包括电流密度、溶液中的NaCl浓度、催化剂HNO ₃浓度以及温度影响等。为了更有效地研究各参数对碳纤维回收效果和效率的影响，本研究设计了两个系列试验。

在第一系列试验设计中，考虑了：(1)两个电流强度(20mA、40mA)，基于示例1中所述碳纤维增强水泥基复合材料中碳纤维材料浸泡于上述回收装置中电解液内的表面积大小为100mm×30mm×2＝6000mm ²，可知对应两个电流密度(3333.3mA/m ²、6666.7mA/m ²)；(2)两个电解液的氯化钠浓度(2％、3％)；(3)四个催化剂硝酸浓度(0g/L、1g/L、3g/L和5g/L)。由此可得16种参数条件，每种试验条件包括3个平行试件，其详细的试件分组和实验参数见表1。

在第二系列试验设计中，首先选取第一系列所得的较优方案，在此基础上考虑温度对碳纤维性能和回收效率的影响。因此，第二系列试验参数包括：(1)两个电流值(20mA、40mA)，对应两个电流密度(3333.3mA/m2、6666.7mA/m2)；(2)一个电解液的氯化钠浓度(2％)；(3)一个催化剂硝酸浓度(3g/L)以及(4)三个温度梯度(40℃、60℃和75℃)。由此可得6种参数条件，每种试验条件包括3个平行试件，其详细的试件分组和实验参数见表2。值得注意的是，为了在常温常压下实现回收，实验设置的最高温度仅为75℃，并没有考虑过高温度条件。

试件编号由作用电流强度、NaCl浓度、HNO ₃浓度和温度共同确定，比如试件编号“I20S _2.0H ₃T ₄₀”，第一部分“I20”是指试件施加的恒定电流强度是20mA，第二部分“S2”是指电解液中浓度NaCl为去离子水质量的2％，第三部分“H ₃”是指每升电解液中添加的HNO ₃浓度为3g/L。第四部分“T40”是指实验过程中电解液的温度保持在40℃。无第四部分时表明试验在室温中进行(温度为25度)

示例3：实验测试方法

3.1样本电压监测

选用日本日置电机株式会社生产的HIOKI-LR8400型号数据记录仪(Datalog)，每小时采集1次数据。采频频率为1h/次，电源频率为50HZ。

3.2碳纤维单丝拉伸性能测试

依照碳纤维单丝拉伸强度测试规范ISO 11566[54]，选用美国安捷伦公司生产的nano UTM 150型号纳米拉伸仪进行碳纤维单丝拉伸实验；测试系统为UTM-Bionix Standard Toecomp Quasistatic。测试参数设定如下：作用荷载750μN，拉伸速率为0.2μm/s，荷载分辨率为50nN，位移分辨率<0.1nm，拉伸分辨率为35nm，作动器最大位移1mm。测试温度为20℃-30℃，空气湿度40％。

进行碳纤维单丝拉伸测试前，需将碳纤维单丝固定在尺寸为15mm 20mm的相片纸上，相片纸中间为直径6mm的圆孔，使用膏状胶水将碳纤维单丝粘在圆孔水平方向直径上，纤维不能过紧或过于松弛。

样本制作完成后，置于实验室条件一天，待胶水自然晾干。即可将样本装进纳米拉伸仪夹具，然后将相片纸两侧边沿剪断，最后开始进行测试。碳纤维单丝测试长度为61mm，每个样本需测试的样品为20个，碳纤维单丝强度结果为20个样品强度平均值。单丝拉伸强度公式如下：

式中σ _f—单丝拉伸强度(MPa)

F _f—单丝断裂最大荷载(N)

d—单丝直径(mm)

选用长春产业光电技术有限公司生产的激光测径仪测量碳纤维单丝直径。将样本放置于样品架上，利用衍射原理，测量单丝的衍射暗纹间距，通过公式换算即可计算得到单丝的精确直径，公式如下：

d＝kLλ/x _k＝Lλ/S   (2-2)

式中d—单丝直径(nm)

S—暗纹直径(cm)

L—样品到衍射屏的距离

x _k—第k极暗纹到光轴的距离

参数设置：L＝60cm，λ＝532nm

3.3碳纤维单丝界面剪切强度测试

选用日本东荣株式会社生产的HM410复合材料界面特征评价装置进行微滴包埋测试。测试参数设定如下：测试速度为0.12mm/min，显微镜倍率为2倍。

根据文献研究 ^[55]，测试树脂球的直径范围宜选定为40μm～80μm。每个样本测试的树脂球为5个，界面剪切强度结果取其平均值。界面剪切强度公式如下：

式中F—荷载值(μN)

d—单丝直径(μm)

l—树脂球直径(μm)

3.4环境扫描电子显微镜(ESEM)测试

选用美国FEI公司的Quanta TM 250FEG型号环境扫描电子显微镜，对回收得到的碳纤维表面形貌状况进行观察分析。选择高真空模式，工作距离约为10mm，测试加速电压为20KV。为了得到更加清晰准确的表面形貌，需要增加碳纤维的导电性，因此样品在进行测试前，先在离子溅射仪中进行喷金处理。

3.5原子力显微镜(AFM)测试

选用美国布鲁克公司生产的ICON-PT-PKG型号扫描探针显微镜，对回收得到的碳纤维进行测试，可得到其表面微观形貌及起伏情况的二维和三维图。

因此本实验的样品扫描范围选择4μm，采用轻敲模式，扫描速率为1.0Hz。为了保证测试成功率，碳纤维单丝的长度不应低于20mm。

利用NanoScope Analysis 1.8软件对图像进行分析计算，在软件的四种粗糙度表达公式中，选择Ra来表征粗糙度，其计算公式如下：

式中N _x—X轴的步数

N _y—Y轴的步数

3.6 X射线分析仪(XRD)

选用德国Bruker公司生产的D8Advance型号高分辨率X射线分析仪，对回收碳纤维进行扫描检测，可以定性得到表面成分的晶体结构信息。采用Continuous PSD fast模式，工作电压为40KV，工作电流为200mA，测试铜靶辐射波长为154mm，扫描角度为10°～80°，步长为0.02°，每步扫描时间为0.2S。利用Jade5.0软件对图谱进行物相分析。

3.7 X-射线光电子能谱(XPS)

选用ULVAC-PHI VPII型号光电子能谱仪，对回收得到的碳纤维进行先进行0eV～800eV范围的全谱扫描，得到其表面元素信息，再对C1s进行高分辨扫描，使用XPSPeak4.1软件对结果进行高斯函数和洛伦兹函数拟合，分析官能团的种类和含量情况信息。测试时，需要保证碳纤维平整的放置在测试台上。单色器的X射线源为Al靶，测试元素包括：C、O、Cl、N、Si、Ca，选择90°作为入射角。

示例4：电化学回收工艺设计

回收工艺步骤主要涉及三部分：(A)将准备好的碳纤维增强水泥基复合材料(板)放置在电解液；(B)对放置在电解液中的碳纤维增强水泥基复合材料通电，其中该碳纤维增强水泥基复合材料与电源的正极相连，并控制电流在合适大小范围内；和(C)通电反应适当时间(一般为8-240)小时后，自该电解液中取出生成的碳纤维回收物。在本发明提供的回收工艺中，根据不同分组，电流大小被控制在20mA和40mA；氯化钠浓度(重量百分比)被控制在2.0％和3.0％；催化剂HNO ₃浓度被控制在0％、1％、3％和5％)，共16种组测试样本。详细的样本分组和实验参数见表4.1。样本编号由电流大小、NaCl浓度和催化剂HNO ₃浓度共同确定，比如样本编号“I20S _2.0H ₁”，第一部分“I20”是指样本施加的电流是20mA，第二部分“S _2.0”是指电解液中NaCl浓度为2.0％，第三部分“H ₁”是指每升电解液中添加的HNO ₃浓度是1g。具体的实验参数及分组情况如表5.1所示。电化学回收周期为8天，回收结束后，将样本取出，除去表面的水泥基胶体，将得到的碳纤维清洗烘干， 然后进行各种测试。

表4.1实验样本分组及参数

示例5：回收得到的碳纤维的清洗除胶

第一系列实验电化学回收周期为8天，第二系列实验电化学回收周期为4天。在回收过程，水泥基凝胶有少量溶解，溶液中和不锈钢片阴极上都有细微胶凝材料颗粒。回收结束后，从容液中取出试件，可以发现无机胶仍然与碳纤维连接在一起，如图2所示。因此，得到的碳纤维回收物为碳纤维和水泥基无机胶的混合物。换句话说，回收得到的碳纤维仍与水泥基无机胶连接在一起。然而，电化学回收反应结束后，水泥基凝胶材料会变得非常软，用硬直毛刷或刚性板即可将其轻易去除。然而，类似的强力剔除可能会使碳纤维表面残留有一层胶体，难以清除。为了更好地清除水泥基凝胶方法，可在碳纤维回收物表面每隔0.1mm以上插一个孔，然后用水压在0.1MPa以上的水流冲洗，冲刷时间为3秒以上，以除去水泥基无机胶。

示例6：回收得到的碳纤维的性能测试

6.1碳纤维回收物的硬度检测

在电化学反应结束后，得到的碳纤维回收物包括碳纤维和无机胶，一般为板状或条状。涂层铅笔硬度测试方法测试其硬度。

选用AIPLI仪器有限公司生产的QHQ-A型铅笔硬度计，根据规范 GB/T6739-2006/ISO15184:1998，在温度(23±2)℃和相对湿度(50±5)％条件下，置于表面结构一致的平板，铅笔在750g的负荷下以45°角向下压在复合材料表面上，以0.5mm/s～1mm/s的速度朝远离操作者的方向推动10mm，从铅笔最软级别9B开始，直至复合材料产生表面可见的内聚破坏，并使用精度为0.02mm的游标卡尺测量破坏深度。测试得到的复合材料详细硬度等级见表6.1。

表6.1复合材料样本硬度及内聚破坏深度

注：硬部是指样本中硬度≥9H的部分，软部是指硬度＜9H的部分。铅笔硬度计的软硬度从低到高依次为：9B-8B-7B-6B-5B-4B-3B-2B-1B-HB-F-H-2H-3H-4H-5H-6H-7H-8H-9H

从表中可以看到，各分组碳纤维增强水泥基复合材料样本经电化学回收过程后，均有一定程度的变软，影响其软化程度最显著的因素是催化剂HNO ₃，HNO ₃浓度越大，复合材料受到的劣化程度越严重，硬度越低。H ₀系列的样本硬度分为两部分，其硬部硬度远远大于9H，软部的硬度最低也为2B，并且软部面积很小，说明仅靠氯化钠溶液的电化学作用，碳纤维增强水泥基复合材料样本远没有达到破坏软化的程度，且软化不均匀。H ₁系列中，I20S _2.0H ₁和I40S _2.0H ₁的样本仍然分为硬部和软部两部分，硬部的硬度分别为大于9H和9H，软部的硬度分别为5B和9B，I20S _3.0H ₁和I40S _3.0H ₁的样本硬度分别为7B和9B。以上结果表明NaCl浓度越大，碳纤维增强水泥基复合材料样本软化程度越大，体现在硬度上就是变得更软；同样的，电流增大会造成的碳纤维增强水泥基复合材料样本更软。H ₃和H ₅系列样本的硬度均小于9B，从测试造成的内聚破坏深度比较来看，同样能得到上述结论。

附图之图3A至图3D所示为对碳纤维回收物的SEM扫描结果，其中图3A为未经电化学回收处理的碳纤维增强水泥基材料的水泥基与碳纤维相接的界面，其棱状沟槽结构相当完整和规则，能够与碳纤维形成强大的机械咬合作用，界面只有极小的孔洞，看不到裂缝 裂纹等缺陷。图3B是图3A中方框处的局部放大(放大10000倍)，从中可以发现一些由水泥浆体和高分子聚合物相互交错嵌入的网络结构，这些结构增大了材料自身的强度和粘结性能。图3C是I40S _3.0H ₁中碳纤维回收物的水泥基材料和碳纤维相接的界面，可以看到，菱形沟槽结构已经被纵横向的大裂缝所斩断分割成破碎的小单元，呈蓬松状，同时还有很多较大的裂纹孔洞分布其中，孔隙率剧烈增大，界面已经完全丧失了与碳纤维的机械咬合作用，粘结力大幅度下降。图D是图C中方框处的局部放大(放大10000倍)，可以看到裂缝内部是白色的疏松状结构，水泥浆体和聚合物的相互嵌入网络结构已经被破坏，水泥基材料呈空洞化，碳纤维与水泥基界面的粘结力已经丧失。

6.2碳纤维的回收量

从下表6.2中可以看到，碳纤维原丝的质量为841mg，此质量为30mm×100mm的碳纤维布条称量所得，需要指出的是，H ₀系列由于该组碳纤维增强水泥基复合材料样本回收得到的碳纤维回收物硬度较大，不能轻易不费力气的去除水泥基材料，所以定义为碳纤维回收量为0g/L，在此表内不予列出。不同分组样本回收得到的碳纤维量有一定差异，直观的不同分组间碳纤维回收量，如图4所示。可以发现，碳纤维回收量随HNO ₃浓度增大呈现先增后降趋势，HNO ₃浓度为3g/L时，碳纤维回收量最大。在H ₁组(1g/L)中，I20S _2.0和I40S _2.0的回收量明显低很多，只有233mg和286mg，原因是只回收到软部的碳纤维，而软部的面积在回收区占比较小。H ₅系列样本的碳纤维回收较少，主要是因为碳纤维所受的劣化更大，表层剥落，变成很细很短毛丝，附着在水泥基材料上，在清洗阶段亦有损失。I40系列碳纤维回收量总体上比I20系列要低，S _3.0系列碳纤维回收量比S _2.0低(B为1g/L时除外)，表明较大电流和较大氯化钠浓度造成碳纤维的劣化更大。不利于碳纤维回收。

表6.2不同参数条件下的碳纤维回收量

注：1)DB：表示破坏模式为无机脂层剥离破坏

2)CB：表示破坏模式为碳纤维与无机脂界面剥离破坏

3)EB：表示破坏模式为碳纤维表层剥离破坏

为了确定电流在碳纤维增强水泥基复合材料样本的软化中是否起到作用，设置对比实验，将碳纤维增强水泥基复合材料样本分别泡浸在催化剂B(HNO ₃)的剂量分别为1g/L、3g/L、5g/L、8g/L和10g/L剂量的2.0％NaCl溶液中，分别命名为S _2.0H ₁、S _2.0H ₃、S _2.0H ₅、S _2.0H ₈和S _2.0H ₁₀，时间为8天。

碳纤维增强水泥基复合材料在泡浸前后有一定差异，颜色变浅，表面出现一些小孔洞，为了更精准评判催化剂B(HNO ₃)的处理效果，进行硬度测试，结果见表6.3。从表中看到，处理后的复合材料硬度仍然很高，当HNO ₃浓度达到10g/L时，复合材料硬度为3B，不借助机械工具不能把水泥胶体完成清除掉，并且长时间在高浓度催化剂B(HNO ₃)溶液泡浸下，碳纤维性能会有很大劣化。表明电流在碳纤维增强水泥基复合材料软化中起到重要作用，电化学方法处理符合材料更加有效。

表6.3 B电解液处理后复合材料硬度

6.3样本电压检测

从图5可以看到，所有样本的电压在电化学回收周期基本保持稳定，没有很大的波动。不同分组样本电压有一定差异，H ₀(0g/L)组样本的电压最高，相对波动最大，原因可能是没有催化剂HNO ₃对碳纤维增强水泥基复合材料样本的软化作用比较慢，孔隙率很小，样本导电性能不好，因此电压较高，波动较大。H ₅系列样本的电压低于H ₀系列，但仍然比较高，在H ₅系列中，样本水泥基材料的破坏非常严重，已经作用到碳纤维，其电压较高可能是与碳纤维的劣化导致电阻增大有关。H ₃(3g/L)与H ₁(1g/L)组样本电压较低，这是由于电化学作用对碳纤维增强水泥基复合材料作用比较缓和，碳纤维的劣化很轻微，导电性能较好。在总体上，I40系列样本电压比I20系列大，S _3.0系列样本电压比S _2.0系列大，表明电压和NaCl浓度越大，其阻值越大，因而电压越大。

从表5.5可以看到，回收得到的碳纤维直径没有变化，说明在电化学回收过程碳纤维虽然受到电化学氧化及酸的腐蚀等作用，但是碳纤维表面基本没有片层剥落。经检测，碳纤维原丝的单丝拉伸强度为3588MPa，回收得到的碳纤维中I20S _2.0H ₁的拉伸强度最高为 3072MPa，达到碳纤维原丝的85.62％；I40S _3.0H ₅的拉伸强度最低为2162MPa，仅为碳纤维原丝的60.26％。其他回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度相比碳纤维原丝均出现不同程度的下降，详见图6。

如附图之图6所示，回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度随HNO ₃浓度增大而呈下降趋势，在0～3(g/L)的HNO ₃浓度区间，碳纤维的拉伸强度下降幅度较小，3～5(g/L)的HNO ₃浓度区间碳纤维拉伸强度急剧下降，说明HNO ₃浓度越高，对碳纤维造成的劣化越严重，尤其是当HNO ₃浓度超过3(g/L)之后。当HNO ₃浓度为1(g/L)和3(g/L)时，不同参数作用下的碳纤维间拉伸强度差值不大，H ₁系列碳纤维拉伸强度在2987MPa～3072MPa之间，H ₃系列碳纤维拉伸强度在2898MPa～2974MPa范围区间，I20系列碳纤维拉伸强度比I40系列要高，S _2.0系列碳纤维拉伸强度比S _3.0强度要高；当HNO ₃浓度为5(g/L)时，不同参数间碳纤维的强度差值比较小，但是仍然是小电流系列样本比大电流系列样本高，低氯化钠浓度系列样本比高浓度系列样本高。

6.4回收得到的碳纤维的界面剪切性能

从表6.4可以看到，碳纤维原丝与无机脂的界面剪切强度为27.09MPa，破坏模式为DB，回收得到的碳纤维的界面剪切强度较大，除了H ₅系列，其他系列的样本剪切强度都大于等于碳纤维原丝，破坏模式与HNO ₃浓度相关，H ₁系列样本的破坏模式为DB，H ₃系列样本破坏模式为CB，H ₅系列样本的破坏模式为EB，随着HNO ₃浓度的增大，破坏位置从无机脂层转移到界面层再到碳纤维表层。

表6.4回收碳纤维的界面剪切强度

注：1)DB：表示破坏模式为环氧树脂层剥离破坏

2)CB：表示破坏模式为碳纤维与环氧树脂界面剥离破坏

3)EB：表示破坏模式为碳纤维表层剥离破坏

从图7可以看到，回收得到的碳纤维的界面剪切强度随HNO ₃浓度增大而下降，但是H ₁和H ₃系列回收得到的碳纤维比原丝剪切强度大，说明在较低浓度的B条件下的电化学氧化能够提高剪切强度。从图8A可以看到，碳纤维原丝的破坏模式为DB，无机脂层被剥离，碳纤维表面粘结着一层光滑的树脂；图8B和图8C分别是I20S _2.0H ₁和I40S _2.0H ₁的破坏图像，虽然破坏模式仍然是DB，但是碳纤维表面粘结的树脂层粗糙呈凹凸状，尤其是I20S _2.0H ₁样本，说明H ₁系列的碳纤维与无机脂的粘结力更强，可能是由于低浓度的B下，碳纤维表面的微观结构被氧化刻蚀得更好，机械咬合作用更强；在图8D和图8E中，I20S _2.0H ₃和I40S _2.0H ₃的破坏模式虽然是CB，但是剥离破坏后，碳纤维表面粘结有针状的细长无机脂，针状树脂不但增大破坏表面积，而且起到类似钢筋月牙肋的作用，极大提高机械咬合力，增大与无机脂的粘结性能，因而S _2.0系列样本的剪切强度仍然比碳纤维原丝高。在HNO ₃浓度为1(g/L)和3(g/L)时，I20系列样本剪切强度比I40系列高，I20S _3.0H ₁；S _2.0系列样本剪切强度比S _3.0系列高；在H ₅系列，小电流与B低浓度作用的样本剪切强度更大，但是由于过度的氧化刻蚀，电流与B参数对剪切强度的影响非常小，从图8F和图8G看到，I20S _2.0H ₅的剥离模式为CB，碳纤维表面没有树脂残留，看到表面的纵向沟槽结构，表明碳纤维与无机脂的粘结性能下降；I40S _2.0H ₅的破坏模式为EB，可以看到，碳纤维表面被剥离了小部分表皮，可能是该处表皮已被氧化成脆弱片层，与碳纤维本体不再为牢固的整体；表明HNO ₃浓度为5％时，回收得到的碳纤维受到较严重的氧化和腐蚀作用，降低了碳纤维表面粘结性能。

示例7：回收得到的碳纤维的检测

7.1 SEM扫描

经检测发现，S _2.0系列和S _3.0系列回收得到的碳纤维的微观形貌差别非常小，所以在此只列出S _2.0系列回收得到的碳纤维的SEM图像。从图9A可以看到，碳纤维原丝表面非常光滑平整，没有看到裂纹裂缝凹坑等缺陷。经回收得到的碳纤维表面附着有少量的凝胶颗粒，这是清洗不够彻底造成的残留。从图9B和图9C中看到，I20S _2.0H ₁和I40S _2.0H ₁回收得到的碳纤维表面除了附着有极少量的水泥凝胶外，并未看到裂纹裂缝凹坑等缺陷，十分完整，表明在1(g/L)浓度的B条件下，电化学回收过程对回收得到的碳纤维并未造成严重的氧化劣化，所以该系列回收得到的碳纤维的拉伸强度下降幅度不大。从图9D和图9E发现，I20S _2.0H ₃和I40S _2.0H ₃回收得到的碳纤维表面很干净，极少水泥凝胶颗粒残留，但是在个别根数的碳纤维表面发现有横向裂纹，在裂纹处形成薄弱层，造成碳纤维拉伸强度下降，因此H ₃系列回收得到的碳纤维拉伸强度比H ₁系列低。表明在3g/L浓度的催化剂B条 件下，碳纤维在回收过程受到的氧化劣化程度增加。从图9F和图9G看到,I20S _2.0H ₅和I40S _2.0H ₅回收得到的碳纤维表面的水泥凝胶颗粒较多，在碳纤维表面发现有纵向裂缝和横向裂纹，且深度不浅，减小了碳纤维的受力截面，因此H ₅系列回收得到的碳纤维的拉伸强度严重下降，只达到碳纤维原丝强度的60.26％～66.64％。说明在5g/L浓度的催化剂B条件下，碳纤维在回收过程受到了严重的氧化劣化。对比图10中I20系列与I40系列回收得到的碳纤维图像，发现I40系列回收得到的碳纤维的表面缺陷更多，说明大电流作用使回收得到的碳纤维受到的损伤更严重。

7.2 AFM扫描

碳纤维的表面微观形貌对其界面粘结性能起到非常重要的影响，由粗糙度和形貌结构共同表征，碳纤维原丝和回收得到的碳纤维的AFM扫描测试结果分别见表7.1和图10，需要指出的是，S _2.0系列和S _3.0系列的回收得到的碳纤维在粗糙度和形貌结构上差别不大，所以在此只列出S _2.0系列回收得到的碳纤维AFM图像。

表7.1回收得到的碳纤维的粗糙度

从图10A和图10B可以看到，碳纤维原丝表面很光滑，没有纵向沟槽结构，几乎没有表皮凸起结构，计算得到的粗糙度为144nm。从图10C至图10F可以发现，在H ₁碳纤维系列，由于回收过程的氧化刻蚀作用，碳纤维表面出现明显的纵向沟槽结构和表皮凸起结构， 这些精细结构起到类似钢筋月牙肋的作用，极大的提高碳纤维与无机脂的机械咬合作用，增大碳纤维表面粗糙度，I20S _2.0H ₁和I40S _2.0H ₁的粗糙度分别为180nm和178nm，增加比表面积，改善浸润性，提高了界面粘结性能，因此，H ₁系列回收得到的碳纤维剪切强度远高于碳纤维原丝。从图10G至图10J看到，当HNO ₃浓度增大到3时，碳纤维表面仍然有纵向沟槽结构，但是比H ₁系列弱，I20S _2.0H ₃碳纤维表面的凸起结构增多，而I40S _2.0H ₃只有不同明显的纵向沟槽结构，计算得到的粗糙度分别为208nm和162nm，纵向沟槽结构变弱，导致碳纤维表面的机械咬合作用下降，因而H ₃系列回收得到的碳纤维界面剪切强度比H ₁系列低，但仍然高于碳纤维原丝，表明HNO ₃浓度增大，造成碳纤维受到的氧化刻蚀等劣化增强，导致界面剪切强度削弱。从图10K至图10N看到，HNO ₃浓度继续增大到5时，I20S _2.0H ₅和I40S _2.0H ₅碳纤维表面几乎看不到纵向沟槽结构，只有错杂的凸起结构，计算得到的粗糙度分别为104nm和121nm，需要指出的是，I40S _2.0H ₅的纵向凹槽为生产时造成，并非氧化刻蚀所致。过度的氧化刻蚀使活性碳粒脱落，无法形成纵向沟槽结构，碳纤维的机械咬合力急剧下降，导致H ₅系列回收得到的碳纤维剪切强度下降，略低于碳纤维原丝,并且严重氧化的凸起机构与碳纤维本体间的粘结变弱，在进行树脂微滴拨出时，容易发生剥离，造成EB破坏模式。上述表明，当HNO ₃浓度较低时，电化学回收过程的小量氧化刻蚀会增大碳纤维的界面剪切强度，而HNO ₃浓度增大到一定程度时，过量的氧化刻蚀反而使碳纤维的界面剪切强度降低。

7.3 XPS扫描

经检测，回收得到的碳纤维的XPS扫描全谱及C1s高分辨窄谱见图11A至图11H，左列是样本的扫描全谱。从扫描全谱图可以看到，图中主要有五种峰，即两个主峰：C(284.6eV)和O(532.0eV)；三个次要峰：Si(99.5eV)、Cl(199.8eV)和Ca(347eV)。碳纤维原丝的表面基本元素为碳和氧，检测出来的少量硅、氯和钙是在实验过程中的引入。VCF和I20S _2.0组回收得到的碳纤维表面具体的化学元素含量情况见表7.2。

表7.2 VCF和I20S _2.0组回收得到的碳纤维表面元素含量(％)

从表中看到，碳纤维原丝表面的碳含量高达79.3％，氧含量为20.7％，没有检测到其他元素含量。所有回收得到的碳纤维表面的碳含量都比较接近，相比碳纤维原丝大概下降 了10％，氧含量则有一定程度上升；从氧碳比来看，回收得到的碳纤维远高于碳纤维原丝的0.2610，在三种HNO ₃浓度梯度中，H ₃的氧碳比最高，接着是H ₅，最低是H ₁，说明了H ₃是区域最佳浓度，能够引入更多的氧，获得更大的表面活性，增强与无机脂的化学键结合能力。从氯含量来看，HNO ₃浓度增大会提高碳纤维表面氯含量。所有碳纤维样本表面都引入了一定量的钙，这可能是水泥基材料在碳纤维表面的残留。此外，I20S _2.0H ₁碳纤维表面监测出3.4％的硅含量。利用软件XPSPeak4.1，将C1s高分辨窄谱依据结合能分为以下六种化学键峰进行高斯洛伦茨拟合：石墨态C～C(284.4eV)、非晶态C～C(284.8eV)、C＝O(285.5eV)、C～O(286.2eV)、C～Cl(287.2)和O～C＝O(288.4eV)。C1s分峰拟合见图5.15右列，需要指出的是，碳纤维原丝的C1s为双峰，并且在288eV峰位后没有面积，所以拟合得出的结果显示，碳纤维原丝表面不含O～C＝O键，其他碳碳和碳氧化学键峰位均出现偏移，表明碳纤维原丝表面活性不好。而回收得到的碳纤维表面的C～Cl键含量为零，说明回收得到的碳纤维表面的氯以吸附状态存在，并非以化学键结合。具体的回收得到的碳纤维表面官能团含量见表7.3。

表7.3 VCF和I20S _2.0组回收得到的碳纤维表面官能团含量(％)

从表中发现，碳纤维原丝表面的石墨态和非晶态C～C键总量为51.1％，I20S _2.0H ₁的碳～碳键含量稍微上升为52.8％，I20S _2.0H ₃和I20S _2.0H ₅则出现下降，分别为49.4％和48.4％。在碳氧键方面，回收得到的碳纤维的C～O键出现大幅度下降，下降量从大到小排序为：H ₃>H ₅>H ₁；回收得到的碳纤维的C＝O键则出现小幅度的下降，在强亲水性官能团O～C＝O键含量上，相比碳纤维原丝的含量为零，回收得到的碳纤维的含量很高，并且H ₃>H ₅>H ₁。上述情况表明，碳纤维在回收过程经历了一定程度的氧化，表面含氧量增大，提高了表面活性，并且O～C＝O键出现，极大提高了碳纤维与无机脂的化学键结合能力；从回收得到的碳纤维的氧碳比和官能团含量来看，HNO ₃浓度为1.0g/L时，碳纤维氧化程度过低，当HNO ₃浓度为3.0g/L时，碳纤维氧化程度最好，增大HNO ₃浓度只是使碳纤维表面C＝O键增多。

7.4 XRD

参考本发明附图之图18A和图18B，其主要展示了I20系列和I40系列于不同温度梯 度所回收的碳纤维的XRD图谱，其中所有回收碳纤维的XRD光谱只有一个强衍射峰，峰位在2θ＝26°附近，经过物相检索，判定为C，表明在电化学回收过程，碳纤维表面并没有引入其他晶体结构化合物。

值得一提的是，从图中可以进一步观察发现，XRD光谱基本呈温度越高，特征峰衍射强度越高，峰愈加尖锐趋势，表明回收温度越高，碳纤维结晶度越好，晶粒更加小。Papirer E的研究表明，碳纤维表面晶粒越小，其表面棱角和边沿的不饱和C原子愈多，表面活性愈高，可以在一定程度上改善碳纤维与树脂的粘结性能，以及提高碳纤维的拉伸强度。I20系列碳纤维比I40系列特征峰好，表明小电流作用对碳纤维的石墨块状结构影响更小，更有利于回收碳纤维的力学性能。

示例8：温度对电化学回收碳纤维的影响

与其它化学反应相似，电化学法回收碳纤维的化学反应过程也应当有其合适的反应条件。本发明通过下述实验结果，确定本发明电化学回收方法的合适温度。同样地，多组样本(如下表6.1所示)被用于测试合适反应温度，其中被选用的电流强度分别为20mA和40mA，NaCl浓度为2.0(％)，HNO ₃剂量为3.0g/L，温度梯度为排除了收率过低的极端温度(极低，如0℃以下，和100℃以上温度)的四个温度梯度，共6组。样本编号由作用电流、NaCl浓度、催化剂HNO ₃浓度和温度梯度共同确定，比如样本编号“I20S _2.0H ₃T ₄₀”，第一部分“I20”是指样本施加的电流是20mA，第二部分“S _2.0”是指电解液中NaCl浓度为2.0％，第三部分“H ₃”是指电解液中添加的催化剂HNO ₃浓度是3.0g/L。第四部分“T ₄₀”是指实验过程中电解液的温度保持在40℃。详细的实验分组和实验参数见表8.1。

表8.1实验样本分组及参数

本部分实验电化学回收周期为4天，回收结束后，复合材料进行硬度测试。然后去除复合材料的水泥基胶体，取出碳纤维。得到的回收得到的碳纤维清洗烘干，再进行各种测 试。经检测，回收得到的碳纤维仍然保持丝束状，长度大概为100mm，基本与样本回收长度一致，表面富有光泽，说明碳纤维在回收过程受到的氧化与腐蚀等损害很小。

8.1碳纤维增强水泥基复合材料样本及碳纤维回收量

从表8.2可以看到，碳纤维增强水泥基复合材料样本在4天的回收周期后，硬度下降非常大，都远远小于9B硬度等级，I20S _2.0H ₃T ₇₅样本的内聚破坏深度达到1.88mm，接近碳纤维层，说明温度在碳纤维增强水泥基复合材料软化中起到巨大的影响，弥补了回收周期短的影响。同时从复合材料内聚破坏深度能够发现，温度越大，复合材料的软化程度越严重。

表8.2复合材料样本硬度及内聚破坏深度

注：铅笔硬度计的软硬度从低到高依次为：9B～8B～7B～6B～5B～4B～3B～2B～1B～HB～F～H～2H～3H～4H～5H～6H～7H～8H～9H

从表8.3和图12看到，碳纤维回收量随温度的升高呈现先高后低趋势，在温度为T ₄₀(40℃)时，碳纤维回收量最大，I20S _2.0H ₃T ₄₀回收量为772mg，达到碳纤维原丝的91.8％。高温状态下回收周期虽然只有常温(T ₀,25℃)的一半，但是碳纤维的回收量更高，原因应该是碳纤维受到的电化学氧化作用时间越短，劣化程度越低，产生的毛丝越少，因而回收得到的量越多。I20系列样本的碳纤维回收量明显比I40系列高，尤其是在高温阶段，在碳纤维取出及清洗过程发现，I40系列碳纤维的毛丝较多，不但较多粘在水泥基凝胶上，并且一部分随水流冲走，表明大电流对碳纤维造成的劣化更严重。

表8.3不同温度梯度条件下的碳纤维相关性能

注：1)DB：表示破坏模式为无机脂层剥离破坏

2)CB：表示破坏模式为碳纤维与无机脂界面剥离破坏

8.2样本电压检测

从图13看到，各组样本电压较低，不同参数条件的样本电压差异值很小，表明在高温条件下，样本的系统阻值非常小。所有样本的电压在电化学回收周期基本保持稳定，I20系列样本电压波动在0.15V以内，I40系列样本电压波动在0.1V以内。相同温度条件的样本电压相接近，T ₂系列样本的电压最低，表明在此条件下其导电性能非常好，碳纤维的劣化程度很低。

8.3回收得到的碳纤维单丝拉伸强度检测

从表8.4发现，碳纤维直径保持7μm不变，表明在电化学回收过程碳纤维受到的电化学氧化及酸的腐蚀等作用程度较轻，碳纤维表面基本没有片层剥落。回收得到的碳纤维中，I20S _2.0H ₃T ₃的单丝拉伸强度最高为3214MPa，达到碳纤维原丝的89.58％；I40S _2.0H ₃T ₁的拉伸强度最低为2881MPa，为碳纤维原丝的80.30％。其他回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度相比碳纤维原丝均要低，较为直观的单丝拉伸强度与温度梯度的关系见图14。

表8.4不同温度梯度条件下的回收碳纤维拉伸强度(ISO11566)

从图14中可以明显看到，回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度随温度的增加呈现先下降然后一直缓慢上升的趋势。需要指出，在常温T ₀(25℃)条件下，碳纤维的回收周期为8天，高温条件下，回收周期缩短为4天，碳纤维受到的氧化和腐蚀等作用要弱一些，因此损伤相对较小，碳纤维的拉伸强度自然要高一些。然而，在温度为T ₁(40℃)时，碳纤维的拉伸强度却比T ₀时低，应该是在此温度下碳纤维受到了某种类型更为严重的劣化损伤。I20系列样本拉伸强度比I40系列高，而且随着温度升高，二者差值不断加大，可能是在高温条件下，大电流使样本的氧化反应速率加快。

8.4回收得到的碳纤维界面剪切性能分析

从表8.5可以看到，回收得到的碳纤维中除了I40S _2.0H ₃T ₂的破坏模式为CB，其他样本的破坏模式均为DB。I20S _2.0H ₃T ₂的界面剪切强度最高为28.45MPa，是碳纤维原丝的105.02％，其他样本的界面剪切强度相比碳纤维原丝均出现不同程度的下降。

表8.5不同温度梯度条件下的回收碳纤维界面剪切强度

注：1)DB：表示破坏模式为环氧树脂层剥离破坏

2)CB：表示破坏模式为碳纤维与环氧树脂界面剥离破坏

从图15发现，回收得到的碳纤维的界面剪切强度随温度升高，出现先下降然后增高再下降趋势，高温样本高剪切强度比常温T ₀样本，原因可能与高温样本的回收周期仅为常温样本一半，被氧化刻蚀的表面精细结构程度较低，粗糙度较低有关。从图16A和图16B可以看到，I20S _2.0H ₃T ₁和I40S _2.0H ₃T ₁的破坏界面为光滑的无机脂层，剪切强度较低，分别为22.78MPa和23.51MPa，为碳纤维原丝的84.09％和86.78％。从图16C和图16D看到，I20S _2.0H ₃T ₂和I40S _2.0H ₃T ₂的破坏模式分别为DB和CB，破坏界面粘结有很多针状的细长无机脂，这些针状树脂能够增大了破坏的表面积，起到类似钢筋月牙肋的作用，极大提高机械咬合力，所以样本的剪切强度得到提高，分别达到碳纤维原丝的105.02％和98.74％。在图16E和图16F中，I20S _2.0H ₃T ₃和I40S _2.0H ₃T ₃的破坏模式均为DB，无机脂层发生破坏，在破坏界面可以观察到少量的针状无机脂，界面剪切强度较高，分别为碳纤维原丝的92.69％和89.66％。

8.5 SEM扫描检测

从图17可以看到，回收得到的碳纤维非常干净，表面没有附着水泥凝胶颗粒，碳纤维表面没有发现裂纹裂缝和凹坑等缺陷，相比相同参数样本在常温T ₀条件下表面有裂纹裂缝，表明回收得到的碳纤维受到的氧化和酸腐蚀等作用程度比较轻微，缩短回收周期能有效减少碳纤维受到的劣化，因此高温条件下的回收得到的碳纤维拉伸强度更高。

8.6 AFM扫描检测

表8.6回收得到的碳纤维的粗糙度

回收得到的碳纤维的AFM测试结果分别见表8.6和图18。在T ₁回收得到的碳纤维系列图18A至图18D，回收过程的氧化刻蚀程度较轻，碳纤维表面的纵向沟槽结构较浅，凸起结构尺寸大概在20μm～50μm之间，I20S _2.0H ₃T ₁和I40S _2.0H ₃T ₁计算得到的粗糙度分别为134nm和149nm，与碳纤维原丝的粗糙度144nm相差不大，因此回收得到的碳纤维的界面剪切强度不高。当温度继续升高，图18E至图18H，I40碳纤维系列表面出现更深的纵向沟槽结构，宽度更大，I40S _2.0H ₃T ₂表面密布凸起结构，这些凸起结构的尺寸大概在100nm～300nm之间，I20S _2.0H ₃T ₂和I40S _2.0H ₃T ₂粗糙度分别为168nm和169nm，纵向沟槽和凸起结构提高了碳纤维机械咬合力，增大比表面积改善浸润性，因此在T ₂系列碳纤维的剪切破坏界面能够粘结着针状的树脂，极大提高了碳纤维的界面剪切强度。当温度上升到T ₃时，从图18I至图18L看到，碳纤维表面出现较大尺寸的膨胀凸起，还有不连续的沟槽结构，I20S _2.0H ₃T ₃和I40S _2.0H ₃T ₃粗糙度分别为184nm和192nm，这些结构增大了比表面积，加大浸润吸附树脂的范德华力，然而粗糙度过大会减小碳纤维与树脂的粘结能力，并且该类结构不利于机械咬合作用，界面剪切强度不太高。

8.7 XPS扫描检测

经检测，回收得到的碳纤维的扫描全谱及C1s高分辨窄谱见图19A至图19F，左列是样本的扫描全谱，右列则是其对应的C1s高分辨窄谱及其分峰拟合图。从扫描全谱图可以看到，图中主要有六种峰，即两个主峰：C(284.6eV)和O(532.0eV)；四个次要峰：Si(99.5eV)、Cl(199.8eV)、Ca(347eV)和N(399.5eV)。碳纤维原丝的表面基本元素为碳和氧，检测出来的少量硅、氯、钙和钙是在实验过程中的引入。不同温度梯度的回收得到的碳纤维表面化学元素含量情况见表8.7。

表8.7回收得到的碳纤维表面元素含量(％)

从表中可以看到，回收得到的碳纤维相比碳纤维原丝，C元素含量都有一定程度的下降，而氧元素含量出现较大幅度上升，从氧碳比来看，碳纤维原丝仅为0.2610，而氧碳比最低的I20S _2.0H ₃T ₃亦达到0.4066，为碳纤维原丝的1.5倍以上，说明回收得到的碳纤维表面引入了较多的氧，获得了更大活性。三个温度梯度样本中，I20S _2.0H ₃T ₂的氧碳比最高为0.4281，I20S _2.0H ₃T ₁稍低一些，氧碳比为0.4252，I20S _2.0H ₃T ₃则最低，从上面的实验知道I20S _2.0H ₃T ₀的氧碳比为0.3859，表明虽然回收周期缩短导致碳纤维氧化时间变短，但是高温条件反而使碳纤维表面的氧引入量更大，在温度为T ₂时，碳纤维表面氧碳比最大，随后开始下降。在回收过程，碳纤维表面均引入了氯元素，氯含量随温度升高而下降。此外，I20S _2.0H ₃T ₂和I20S _2.0H ₃T ₃碳纤维表面还引入了少量氮、硅和钙元素。

根据文献以及已经进行的研究分析，利用软件XPSPeak4.1，将C1s高分辨窄谱依据结合能分为以下六种化学键峰进行高斯洛伦茨拟合：石墨态C～C(284.4eV)、非晶态C～C(284.8eV)、C＝O(285.5eV)、C～O(286.2eV)、C～Cl(287.2)和O～C＝O(288.4eV)。C1s分峰拟合见图6.9右列，具体的回收得到的碳纤维表面官能团含量见表8.8。

表8.8回收得到的碳纤维表面官能团含量(％)

从表中看到，相比碳纤维原丝表面的石墨态和非晶态C～C键总量为51.1％，I20S _2.0H ₃T ₁和I20S _2.0H ₃T ₂出现下降，均为44.9％，而I20S _2.0H ₃T ₃则稍微上升为51.4％；由于回收过程的电化学氧化，回收得到的碳纤维的C～O键均出现大幅度下降；而在C＝O键中，I20S _2.0H ₃T ₁含量下降，I20S _2.0H ₃T ₂和I20S _2.0H ₃T ₃含量则略有上升；在强亲水性基团O～C＝O键中，温度越低的回收得到的碳纤维含量越高，这是可能是因为在高温下O～C＝O键更容易生成二氧化碳和水 ^[34]，上述表明回收得到的碳纤维反应温度越低，其表面氧化程度越高，与无机脂的化学结合能力越强，然而由于I20S _2.0H ₃T ₁表面的C～Cl键含量高达8.2％，说明碳纤维受到了较为严重的氯化，造成拉伸强度和界面剪切强度下降，与之对应的I20S _2.0H ₃T ₂和I20S _2.0H ₃T ₃表面的氯并非以化学键结合，而是以吸附状态存在。

8.8 XRD分析

从图20A和图20B可以看到，回收碳纤维的XRD光谱只有一个强衍射峰，峰位在 2θ＝26°附近，经过物相检索，判定为C，表明在电化学回收过程，碳纤维表面并没有引入其他晶体结构化合物。

进一步地，从图中可知，回收碳纤维的结晶度都比较差。H ₁系列回收碳纤维的衍射峰强度较低，当硝酸浓度增大到3g/L时，衍射峰强度增大，峰变得更尖一些，当硝酸浓度继续增大到5g/L时，衍射峰的强度下降，峰端部变得圆滑，表明H ₃系列的碳纤维结晶度相对较好，过高或过低的硝酸浓度使碳纤维的石墨块状结构在回收过程受到的影响较大。

值得一提的是，在上述继续通电进行回收的实验中，所使用的电解装置可为本领域所熟知的各种电解池、电解槽等。

作为回收容器的上述电解装置中装有预先设计的回收剂和催化剂相混合的化学溶液，其可以有效侵入待回收的所述碳纤维增强水泥基复合材料的水泥基胶凝材料，并破坏其化学键，促使水泥基胶凝材料分解。所述化学溶液包括但不局限于水、HNO ₃(硝酸)、液体乙醇、液体乙二醇、各种酸性溶液(包括但不局限于H ₂Si ₃(偏硅酸)、HCN(氢氰酸)、H ₂C ₃(碳酸)、HF(氢氟酸)、C ₃COOH(也作C ₂H ₄O ₂乙酸，又叫醋酸)、H ₂S(氢硫酸)、HClO(次氯酸)、HNO ₂(亚硝酸)、所有的有机酸、H ₂S ₃(亚硫酸)等)、各种碱性溶液(包括但不局限于氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液等)、各种含氯离子溶液(包括但不局限于氯化钠溶液、氯化锌溶液等)。上述化学液体的特征为可以是上述各种溶液的混合溶液，各种溶液的浓度为0.001％-99.9％，

根据本发明的该优选实施例，在通电过程中，待回收的所述碳纤维增强水泥基复合材料中的碳纤维材料采用所熟知的方法与电源的正极连接，以确保在回收过程中电路稳定运行。所述纤维材料与电源的正极进行连接的方法包括但不局限于溶解树脂、磨去树脂等，以暴露出内部纤维材料，便于电路连接。

根据本发明的该优选实施例，通电过程中的阴极材料为熟知的导电材料，包括但不局限于钢材、铁、各种金属、各种形式石墨材料。

所述通电过程中，电流密度大小的特征在于与上述化学溶液的共同作用下，可以促使待回收的所述碳纤维增强水泥基复合材料中的水泥基胶凝材料解，同时不影响回收碳纤维的各种力学性能、导电性能、与有机(环氧树脂)和无机(水泥基)胶凝材料的粘接性能和再加工性能。所述电流密度的大小根据所述碳纤维增强无机(水泥基)复合材料中碳纤维材料浸泡于所述电解液内的表面积大小进行计算,范围为3333.3～6666.7mA/m ²。

所述通电过程中，通电时间的特征是在与上述化学溶液和电流的共同作用下，可以促使待回收的所述碳纤维增强水泥基复合材料中的水泥基胶凝材料分解，同时不影响回收碳 纤维的各种力学性能、导电性能、与有机(环氧树脂)和无机(水泥基)胶凝材料的粘接性能和再加工性能。所述通电时间为0.5～200小时，优选为2-120小时，更优选为4–48小时。

所述通电过程中，可采用各种本行业熟知的树脂老化方法加快回收速度，例如紫外线强化、超声强化、微波强化。

在所述自碳纤维增强水泥基复合材料中回收碳纤维的方法中，反应温度为25℃～75℃，优选为40℃～75℃，更优选为60℃～75℃。

所述回收容器中的压力调整至预设大小，其与上述化学溶液、电流和温度的共同作用下，促使待回收的所述碳纤维增强水泥基复合材料中的水泥基胶凝材料发生膨胀和分解，同时不影响回收碳纤维的各种力学性能、导电性能、与树脂材料的粘接性能和再加工性能。其压力范围为0.5～20大气压，加压时间为0.5～200小时。

所述电化学回收方法中，阳极与阴极材料间距离对回收效果、回收速度和回收成本有影响，优选为1mm～1000mm，更优选为20mm～60mm。

此外，所述电化学回收方法中，将碳纤维取出后保存，即可投入再生产。所述取出方法为各种所熟知的方法，包括且不局限于超声、干燥、加热等、以及各种方法的结合。

回收得到的碳纤维的长度是其再利用价值的一个重要因素。对回收得到的碳纤维，进行拉直，可以看到碳纤维的长度大约在80mm～100mm之间，而实验设计的样本回收部分长度为100mm，考虑到在剪取回收得到的碳纤维存在的长度损耗，可以知道在电化学回收过程碳纤维的长度基本没有损耗，表明在整个回收过程，碳纤维遭受的电化学氧化等损害非常轻微。

根据本发明的该优选实施例，在自碳纤维增强水泥基复合材料中回收碳纤维的方法中，所述电解液含有1g/L～5g/L的催化剂B，其中该催化剂B为可溶性酸，可以是但不限于是HNO ₃。如说明书附图之图4和图6所示，不同分组碳纤维增强水泥基复合材料样本回收得到的碳纤维的量有所不同，碳纤维回收量随HNO ₃浓度增大呈现先增后降趋势，HNO ₃浓度为3g/L时，碳纤维回收量最大。在HNO ₃浓度为1g/L分组中，碳纤维回收量明显降低，且回收得到的碳纤维的单丝拉伸强度随HNO ₃浓度增大而呈下降趋势，在0～3(g/L)的HNO ₃浓度区间，碳纤维的拉伸强度下降幅度较小，3～5(g/L)的HNO ₃浓度区间，回收得到的碳纤维拉伸强度急剧下降。因此，HNO ₃的浓度控制在1～3(g/L)时较优，更优选地被控制在3g/L时，可获得理想的回收效果。

本领域技术人员会明白附图中所示的和以上所描述的本发明实施例仅是对本发明的 示例而不是限制。

由此可以看到本发明目的可被充分有效完成。用于解释本发明功能和结构原理的该实施例已被充分说明和描述，且本发明不受基于这些实施例原理基础上的改变的限制。因此，本发明包括涵盖在附属权利要求书要求范围和精神之内的所有修改。

Claims (10)

1. 一种自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的方法，其包括下述步骤：

   (A)将碳纤维增强无机复合材料置于电解液中，其中该电解液含有重量比为0.5％～3％的NaCl和1.0g/L～5g/L的催化剂；；

   (B)对放置在电解液中的碳纤维增强无机复合材料通电，其中该碳纤维增强无机复合材料与电源的正极相连，并控制电流密度为3333.3～6666.7mA/m ²；和

   (C)通电反应0.5-200小时后，自该电解液中取出碳纤维回收物。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括下述步骤：

   (D)在碳纤维回收物表面插孔后，水流冲洗，以除去水泥基无机胶，其中孔间距为大于0.1mm，水流水压高于0.1MPa，冲洗时间不少于3秒。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该电解液进一步含有1.0g/L～5g/L的催化剂，其中该催化剂系选自由氢氰酸、碳酸、氢氟酸、氢硫酸、次氯酸、亚硝酸、亚硝酸、偏硅酸和可溶性有机酸组成的群组。
4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，该电解液进一步含有1.0g/L～5g/L的催化剂，其中该催化剂系选自由氢氰酸、碳酸、氢氟酸、氢硫酸、次氯酸、亚硝酸、亚硝酸、偏硅酸和可溶性有机酸组成的群组。
5. 根据权利要求1至4中任一所述的方法，其特征在于，反应温度为25℃～75℃。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，反应温度为60℃～75℃。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该电解液含有重量比为0.5～3％的可溶性盐酸盐和1.0g/L～5g/L的催化剂，其中该催化剂系选自由氢氰酸、碳酸、氢氟酸、氢硫酸、次氯酸、亚硝酸、亚硝酸、偏硅酸和可溶性有机酸组成的群组，反应温度被控制为25℃～75℃。
8. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该电解液含有重量比为0.5％～3％的可溶性盐酸盐和1.0g/L～5g/L的催化剂，其中该催化剂系选自由氢氰酸、碳酸、氢氟酸、氢硫酸、次氯酸、亚硝酸、亚硝酸、偏硅酸和可溶性有机酸组成的群组，反应温度被控制为60℃～75℃。
9. 一种用于自无机胶凝材料中回收高性能碳纤维的电解液，其特征在于，其至少含有：

   重量比为0.5％～3％的可溶性盐酸盐；

   1.0g/L～5g/L的催化剂，其中该催化剂系选自由氢氰酸、碳酸、氢氟酸、氢硫酸、次氯酸、亚硝酸、亚硝酸、偏硅酸和可溶性有机酸组成的群组；和

   80％～98％的水。
10. 根据权利要求9所述的电解液，其特征在于，优选含有3g/L的催化剂。

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