本發(fā)明涉及廢舊碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料及其制品的回收與再生利用領(lǐng)域，具體涉及一種高效、高值、可產(chǎn)業(yè)回收碳纖維的方法及裝置。

背景技術(shù)：

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(Carbon fiber-reinforced plastic. CFRP)因其優(yōu)異的耐腐蝕、熱穩(wěn)定性、高強(qiáng)度和抗沖擊性能，在航空航天、戰(zhàn)略武器、交通、醫(yī)療器械、體育用品、風(fēng)電等多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著CFRP應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，廢棄的CFRP量也隨之增長，廢棄的CFRP主要來源于生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的邊角料、殘次品以及使用過程中破損的結(jié)構(gòu)件，以及生命周期末端廢棄的CFRP制品。據(jù)預(yù)測，全球廢棄CFRP制品至2020年可達(dá)到5萬噸，其中碳纖維2.5萬噸，每100千克航空CFRP中就有大約60-70千克的碳纖維。CFRP具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無法再次熔融和二次成型加工，使得其回收和再利用成為國內(nèi)外先進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)共同面臨的一個難題。

CFRP回收方法主要有機(jī)械物理法、能量回收法、熱回收法和化學(xué)回收法。通過機(jī)械物理法回收的碳纖維長度變短、實(shí)用價(jià)值不高；能量回收法不能獲得可利用的碳纖維和其它材料。通過熱回收方法回收的碳纖維表面存在積碳，力學(xué)性能損失較大且易受到工藝參數(shù)的影響?；瘜W(xué)回收方法常采用硝酸、苯甲醇、氨水、乙二醇等作為反應(yīng)介質(zhì)，但大量溶劑的使用會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。超臨界流體作為一種新的CFRP化學(xué)回收方法，降低了溶劑對環(huán)境的影響性，但回收過程需要高溫、高壓條件，能耗較高，操作安全性較差，不易實(shí)現(xiàn)CFRP的產(chǎn)業(yè)化回收。

對于CFRP的回收與再生利用存在以下三個問題：

一、在現(xiàn)有回收方法中，可實(shí)現(xiàn)CFRP規(guī)?；厥盏姆椒ㄊ菬峤夥?，但回收過程中產(chǎn)生的液相產(chǎn)物組分復(fù)雜，產(chǎn)物的后續(xù)處理困難，對環(huán)境二次污染嚴(yán)重；

二、應(yīng)用能量回收法和機(jī)械回收法回收CFRP，CFRP的回收價(jià)值降低，不能獲得連續(xù)并具有原有鋪層結(jié)構(gòu)的長纖維；

三、超臨界流體雖能回收長纖維，目前只處于實(shí)驗(yàn)室階段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出采用熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的方法與裝置，回收高性能連續(xù)碳纖維，降低回收成本與環(huán)境影響性，實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化回收。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明是一種熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維的方法，回收方法包括如下步驟：

步驟1：將氧化物半導(dǎo)體內(nèi)置于分解爐中的分布板上；

步驟2：在進(jìn)氣口中通入濃度為5 vol%-15 vol%的氧氣，并通過預(yù)熱單元產(chǎn)生350℃-500℃的過熱氧氣；

步驟3：過熱氧氣通過分布板中的小孔進(jìn)入分解爐中，并與氧化物半導(dǎo)體充分接觸，加熱氧化物半導(dǎo)體到設(shè)定溫度，此時(shí)氧化物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵫趸锇雽?dǎo)體；

步驟4：通過進(jìn)料口將定量的廢棄碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料送入分解爐中；

步驟5：處于懸浮、高速運(yùn)動狀態(tài)的熱氧化物半導(dǎo)體與待分解的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料充分、均勻接觸，并對樹脂基體產(chǎn)生分解效應(yīng)，維持該分解反應(yīng)10min-20min；

步驟6：分解過程中產(chǎn)生的CO₂通過排氣口排除，分解爐中余下的固體材料為高性能的碳纖維材料，通過干燥處理獲得表面干凈的碳纖維材料。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述氧化物半導(dǎo)體為 Cr₂O₃或TiO₂或Fe₂O₃或ZnO或NiO或α- Fe₂O₃或CuO或Cu₂O半導(dǎo)體。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述廢棄碳纖維增強(qiáng)樹脂基為PET或PP或PE或PVC或PS或ABS熱塑性基體或環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂熱固性樹脂基體。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟3中設(shè)定溫度為350℃-500℃。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：所述步驟4中，所述定量為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與氧化物半導(dǎo)體的質(zhì)量比為5:1。

本發(fā)明一種熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維裝置，裝置包括帶有進(jìn)氣口的進(jìn)氣管道，在進(jìn)氣管道的外側(cè)設(shè)置有預(yù)熱單元，進(jìn)氣管道與分解爐連接，在分解爐內(nèi)設(shè)置有分布板，氧化物半導(dǎo)體至于分布板上，在分解爐的一側(cè)設(shè)置有進(jìn)料口，分解爐的上方設(shè)置排氣口。

本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于：分布板的小孔的孔徑為1μm-5μm，孔隙率為15%-30%。

本發(fā)明的有益效果是：1、TiO₂、ZnO、Cr₂O₃、NiO、Fe₂O₃等氧化物半導(dǎo)體在熱激發(fā)下（300℃-500℃）大量空穴，即通過熱活化致使氧化物半導(dǎo)體產(chǎn)生空穴，形成的空穴具有優(yōu)異的氧化分解能力，可用于熱塑性或熱固性樹脂基體的分解；

2、熱活化氧化物半導(dǎo)體回收復(fù)合材料過程中的副產(chǎn)物為CO₂和H₂O，產(chǎn)物組分簡單，環(huán)境影響性??；

3、氧化物半導(dǎo)體材料可以多次循環(huán)使用，回收工藝簡單，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；

4、熱活化氧化物半導(dǎo)體也可用于有機(jī)物分解領(lǐng)域，如混雜材料（包含該金屬和有機(jī)物）中有機(jī)物的分解，或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)修復(fù)領(lǐng)域，如采用該方法可有效去除復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件損傷區(qū)的樹脂材料而又不損傷該處的纖維材料。

附圖說明

圖1是本發(fā)明熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維的裝置示意圖。

圖2是分解爐局部示意圖。

具體實(shí)施方式

為了加深對本發(fā)明的理解，下面將結(jié)婚附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述，該實(shí)施例僅用于解釋本發(fā)明，并不對本發(fā)明的保護(hù)范圍構(gòu)成限定。

如圖1-2所示，本發(fā)明是一種熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維的方法，所述回收方法包括如下步驟：

步驟1：將氧化物半導(dǎo)體4內(nèi)置于分解爐5中的分布板3上；

步驟2：在進(jìn)氣口1中通入濃度為5 vol%-15 vol%的氧氣，并通過預(yù)熱單元2產(chǎn)生350℃-500℃的過熱氧氣；

步驟3：過熱氧氣通過分布板3中的小孔進(jìn)入分解爐5中，并與氧化物半導(dǎo)體4充分接觸，加熱氧化物半導(dǎo)體4到設(shè)定溫度，設(shè)定溫度為350℃-500℃，此時(shí)氧化物半導(dǎo)體4轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵫趸锇雽?dǎo)體；

步驟4：通過進(jìn)料口6將定量的廢棄碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料送入分解爐5中，此步驟中所述定量為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料與氧化物半導(dǎo)體的質(zhì)量比為5:1；

步驟5：處于懸浮、高速運(yùn)動狀態(tài)的熱氧化物半導(dǎo)體與待分解的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料充分、均勻接觸，并對樹脂基體產(chǎn)生分解效應(yīng)，維持該分解反應(yīng)10min-20min；

步驟6：分解過程中產(chǎn)生的CO₂通過排氣口7排除，分解爐5中余下的固體材料為高性能的碳纖維材料，通過干燥處理獲得表面干凈的碳纖維材料。

其中：所述氧化物半導(dǎo)體為 Cr₂O₃或TiO₂或Fe₂O₃或ZnO或NiO或α- Fe₂O₃或CuO或Cu₂O半導(dǎo)體。

其中：所述廢棄碳纖維增強(qiáng)樹脂基為PET或PP或PE或PVC或PS或ABS熱塑性基體或環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂熱固性樹脂基體。

本發(fā)明是一種熱活化氧化物半導(dǎo)體回收碳纖維裝置，所述裝置包括帶有進(jìn)氣口1的進(jìn)氣管道，在所述進(jìn)氣管道的外側(cè)設(shè)置有預(yù)熱單元2，所述進(jìn)氣管道與分解爐5連接，在所述分解爐5內(nèi)設(shè)置有分布板3，氧化物半導(dǎo)體4至于所述分布板3上，在所述分解爐5的一側(cè)設(shè)置有進(jìn)料口6，所述分解爐5的上方設(shè)置排氣口7，分布板3的小孔的孔徑為1μm-5μm，孔隙率為15%-30%。

實(shí)施例一

以碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料為回收對象，采用Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末為反應(yīng)介質(zhì)，其純度為99%，比表面積為3m²/g。

步驟1：首先將Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4通過進(jìn)料口6內(nèi)置于分解爐5中的分布板3上；

步驟2：在進(jìn)氣口1中通入體積濃度為10%的氧氣，并通過預(yù)熱單元2產(chǎn)生400℃的過熱氧氣；

步驟3：過熱氧氣通過分布板3中的小孔，進(jìn)入分解爐5中，并與Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4充分接觸，由于傳熱效應(yīng)，將Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4加熱到400℃，此時(shí)Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4轉(zhuǎn)變?yōu)闊嵫趸锇雽?dǎo)體，此時(shí)，分布板3的孔徑為1μm，孔隙率為20%；

步驟4：通過進(jìn)料口6將定量的廢棄碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料送入分解爐5中；

步驟5：由于氣流作用，Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4處于懸浮、高速運(yùn)動狀態(tài)，并與待分解的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料充分、均勻接觸，由于熱活化致使Cr₂O₃半導(dǎo)體粉末4產(chǎn)生空穴，形成的空穴具有優(yōu)異的氧化分解能力，對復(fù)合材料的樹脂基體產(chǎn)生分解效應(yīng)，維持該分解反應(yīng)15min；

步驟6：分解過程中只產(chǎn)生CO₂和H₂O，產(chǎn)生的CO₂通過排氣口排除，分解爐中余下的固體材料為高性能的碳纖維材料，通過干燥處理即可獲得表面干凈的碳纖維材料。