[发明专利]一种基于CFRP材料的电促进异相催化回收装置及其控制方法

说明书

本发明公开一种基于CFRP材料的电促进异相催化回收装置及其控制方法，其中，所述装置包括外接电源，装有电解液的电解槽，一端插入到所述电解液中的CFRP样品以及金属片，所述电解液中包含氯离子和磷钨酸；所述CFRP样品的另一端与外接电源的正极连接，所述金属片的另一端与外接电源的负极连接。本发明提供的异相催化回收装置结构简单，成本低廉，且通过优化电流参数和催化剂浓度能够在较短的时间内从CFRP材料中回收到性能较佳的碳纤维丝。

技术领域

本发明涉及CFRP材料回收领域，尤其涉及一种基于CFRP材料的电促进异相催化回收装置及其控制方法。

背景技术

碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量95％以上的微晶石墨纤维材料。作为一种新兴的高性能纤维材料，碳纤维具有抗拉强度大(2到7GPa)、模量高(200到700GPa)、密度低(1.5～2.0g/cm²)、线膨胀系数小、可导电且电磁屏蔽性优异等物理优点，以及抗酸碱和有机溶剂腐蚀的化学优点。除此之外，碳纤维柔软可塑性强，耐超高温，耐疲劳性等优点，使其在新材料领域独树一帜。

为了利用碳纤维丝体轻质高强的特性，碳纤维常与陶瓷、树脂、金属等结合成碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，以下简称CFRP)来补足其余材料在力学性能和抗疲劳性能上的缺陷。最初CFRP用于国防军事领域，例如战机机身的减重等；随着科技的发展，CFRP韧性耐腐蚀性强以及质量轻等许多优异性能被挖掘并开发，在航天航空、汽车材料、土木建筑、体育用品等工业和生产领域备受青睐。随着CFRP材料的应用日益增加，以及社会各界环保意识的增强、经济的可持续发展都要求对CFRP废料进行回收。

对于碳纤维增强树脂基复合材料，高价值的碳纤维是回收的主要对象。现有的能回收到碳纤维原料的方法主要分为物理回收和化学回收两大范畴。

物理回收主要依靠机械进行回收：通过分解、破碎、磨碎或其他类似机械手段减小复合材料尺寸来实现废料回收。机械法成本低、方法简单，但这种方法往往需要将原料的尺寸粉碎至5-10mm甚至更短，严重缩短碳纤维的长度，回收到的纤维性能严重下降，再利用价值降大大降低，只能用于填料或树脂增强体等低价值领域。

而化学回收主要分为热处理和化学溶剂法两大回收方向：其中，热处理是在利用高温将废弃物变成一种或多种可回收物质的方法，是目前世界上唯一实现商业化运营的CFRP回收方法，主要包括真空裂解法、微波热解法、流化床法和有氧热解法等。真空裂解法一般需要500℃左右的真空条件，但所得碳纤维表面会有树脂残留。Edward Lester等的微波热解法则需要严格的氮气条件，在高温下8s内完成反应，猛烈的反应条件会损伤回收到的碳纤维，使其力学性能下降。流化床法的优点在于能获得表面干净的碳纤维，而且适用范围广，能够处理被污染的废料，但同样会削减CFRP的尺寸，并严重损失回收碳纤维的强度(25％-50％)，并且不能回收树脂分解产物。有氧热解法要结合氧气和适当高温的控制来达到有氧高效热解，而且不需要用到化学试剂，但对实验条件的控制非常苛刻，稍微控制不当会引起碳纤维丝的氧化，形成积炭残炭，影响表面和力学性能，还可能排放出有毒的气体。

化学溶剂法则是利用溶剂将树脂进行分解，将树脂基体和增强体分离，在CFRP固化剂的化学成分和性质上下功夫，旨在有效率的分解环氧树脂。根据反应条件和所用试剂不同可以分为超/亚临界流体分解法、常压溶剂法等。超临界流体具有液体和气体综合特点，具有液体的密度和溶解性以及气体的粘度和扩散性，亚临界流体也具有超强的扩散性和溶解度，这两种流体可以直接溶解树脂固化材料，对碳纤维的性能影响较小，但依然会部分氧化碳纤维。常压溶剂法是在常压条件下，利用化学溶剂将CFRP中的树脂基体分解的常压化学溶剂法，有非常多的案例，例如Maekawa等以K₃PO₄为催化剂，苯甲醇为溶剂在200℃下反应10个小时分解网球拍中环氧树脂同时回收碳纤维；Yang等采用聚乙二醇(PEG)/NaOH体系在180℃下处理50min即可溶解酸酐固化的CFRP中的环氧树脂等。