[发明专利]一种废弃碳纤维增强树脂基复合材料溶胀解离回收方法

说明书

本发明涉及一种废弃碳纤维增强树脂基复合材料溶胀解离回收方法，首先将二甲基乙酰胺和1,3‑二甲基‑2‑咪唑啉酮按照体积比例（80‑100:0‑20）配制成溶胀剂；再将废弃碳纤维复合材料浸入到溶胀剂中进行溶胀处理，溶胀温度为60~160℃，处理时间为0.5~6 h，溶胀剂与碳纤维复合材料质量比为10~100:1；调控溶胀工艺条件使碳纤维复合材料发生软化或分层现象；将溶胀产物裁切成薄片、长条等形状后回收溶胀产物中的溶胀剂；之后向裁切产物中加入适量树脂，通过模压工艺制备出新的碳纤维增强树脂基复合材料，再生制品抗弯强度可达原始碳纤维复合材料的76%~95%左右。与现有技术相比，本发明确立的工艺简单，成本低、环境污染小、再生碳纤维制品经济价值高，产业化应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及一种废弃碳纤维环氧树脂复合材料回收再利用技术领域，尤其是涉及一种废弃碳纤维增强树脂基复合材料溶胀解离回收方法。

背景技术

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)因其重量轻、强度高、耐腐蚀，广泛应用在航空航天、风电叶片、交通工具、桥梁建筑等领域。CFRP在日常生活中的普及应用造成废弃CFRP产生量也逐年增多。CFRP废料主要包括过期的预浸料、剩余边角材料和报废的CFRP产品。预计到2025年，全球每年产生废弃CFRP的数量将达到2×10⁴t左右。废弃CFRP中含有大量难降解环氧树脂，填埋处理会占用大量土地，焚烧处理则会造成大气污染问题；此外，碳纤维制备成本高，能源消耗大，回收废弃CFRP可显著降低碳纤维生产成本，节约能源。绿色低成本废弃CFRP回收技术的研究对我国环境保护和碳纤维产业可持续发展具有重要意义。

以环氧树脂为代表的热固性树脂材料具备优异的耐热性、抗腐蚀、耐老化性等特点，广泛作为CFRP基体材料。但是热固性树脂具备不可逆的三维网络结构，造成固化树脂无法二次熔化、重塑或再加工，增大CFRP回收难度。目前CFRP回收方法主要包括机械回收法、热处理法和化学回收法。机械回收方法工艺简单、成本低，但该法不能获得连续长纤维，而且机械回收过程对碳纤维损伤大，因此机械回收产物再利用价值低，严重影响该法产业化推广。热处理法是利用碳纤维耐高温的特点，通过高温去除废弃CFRP中的热固性树脂，从而获得连续碳纤维，也是目前主要商业化应用的技术。但是热处理工艺也存在高能耗、纤维性能损伤等问题，需要不断改进。化学回收法是利用不同化学试剂在常温常压或超亚临界环境下降解去除CFRP中固化环氧树脂，获得连续高模量碳纤维。但化学法存在试剂消耗量大、试剂难以再利用、反应条件苛刻、设备造价较高等问题，目前主要还处于试验或小试阶段。

在充分保留原有碳纤维长度与强度的同时，尽量降低废弃CFRP回收处理成本是影响相关技术产业化推广的关键。与热处理法和化学回收法相比，机械回收方法工艺简单、环境污染小，尤其在能耗和成本方面优势明显。但CFRP中呈现玻璃态（坚硬、脆性的固体）的固化环氧树脂将柔软的碳纤维丝束紧密包裹。在CFRP机械解离回收过程中，柔软的碳纤维会随同脆性环氧树脂一起被破碎成经济价值较低的碳纤维粉末或短纤维。机械回收产物增强效果差，无法再制备出轻质、高强CFRP材料，因此机械回收产物利用价值低，严重限制了机械回收法产业化推广应用。

为克服传统机械回收过程中碳纤维长度和强度损失大的难题，申请人创造性采用醋酸溶胀解离法回收废弃CFRP（Composites Part B: Engineering, 224卷 (2021年)109230）。醋酸溶胀解离预处理工艺可以将原来坚硬难以机械裁切的CFRP转变为柔软机械加工性好的溶胀产物。这些CFRP溶胀产物易于被机械裁切成薄片、长条、细丝等形状，从而减少机械回收过程中碳纤维长度和强度损失。利用这些溶胀裁切产物可以重新制备出轻质、高强CFRP制品，实现废弃CFRP绿色、低成本、高附加值回收，对资源节约和环境保护具有重要意义。但是醋酸溶胀法对CFRP溶胀软化和分层解离温度较高（140℃-220℃），而且CFRP中环氧树脂在醋酸溶胀介质中降解率过高（树脂降解率5%-23%）。CFRP中树脂大量降解不仅会影响新制备碳纤维增强树脂基复合材料力学性能，而且树脂降解产物混入醋酸溶胀剂中，增大后期醋酸溶胀剂回收再利用难度，同时环氧树脂降解产物也需要妥善处理处置避免环境污染。

发明内容