碳纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的超臨界流體回收機(jī)理及工藝研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的回收與再生利用是先進(jìn)復(fù)合材料可持續(xù)應(yīng)用的關(guān)鍵舉措，符合國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展對“綠色”的意愿。從廢棄的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料中回收高性能的碳纖維材料具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義和環(huán)境意義，碳纖維的表面性能、力學(xué)性能和回收效率是影響碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料回收價值的重要因素，開發(fā)一種高效、高值、環(huán)境友好的回收方法、技術(shù)及工藝是提高回收過程綜合效應(yīng)的必要前提。論文在綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從理論和試驗(yàn)研究兩方面提出并深入研

2、究了CF/EP復(fù)合材料的回收方法、技術(shù)及工藝的相關(guān)問題。
　　主要研究內(nèi)容包括如下六個方面:
　　(1)采用超臨界流體降解CF/EP復(fù)合材料以回收高性能碳纖維材料，從超臨界流體在CF/EP復(fù)合材料中的質(zhì)量擴(kuò)散以及降解產(chǎn)物在超臨界流體中的質(zhì)量擴(kuò)散兩方面，分析了CF/EP復(fù)合材料降解過程中的超臨界流體傳質(zhì)行為。以同心圓柱模型作為CF/EP復(fù)合材料的“代表性體元”，建立了CF/EP復(fù)合材料降解的超臨界流體傳質(zhì)模型和傳質(zhì)方程，將反應(yīng)

3、動力學(xué)參數(shù)與傳質(zhì)方程相關(guān)聯(lián)，分別提出了考慮Fick效應(yīng)和非Fick效應(yīng)存在下的超臨界流體濃度分布和傳質(zhì)速率計算方法。
　　(2)搭建了超臨界流體回收CF/EP復(fù)合材料的工藝試驗(yàn)系統(tǒng)，以自制的CF/EP復(fù)合材料層板為對象，以甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇作為夾帶劑，以環(huán)氧樹脂基體的降解率為指標(biāo)，研究了不同類型夾帶劑對超臨界CO2降解CF/EP復(fù)合材料的攜帶促進(jìn)效應(yīng)。采用超臨界丙酮、甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇和異丙醇降解CF/EP復(fù)合材料

4、，并分析了反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對環(huán)氧樹脂基體的降解率變化，從偶極矩、介電常數(shù)、溶度參數(shù)等溶解特性參數(shù)方面研究了不同超臨界流體對CF/EP復(fù)合材料的降解能力，提出了用于降解CF/EP復(fù)合材料的超臨界流體選擇機(jī)制。
　　(3)分析了CF/EP復(fù)合材料降解過程中發(fā)生的斷鏈反應(yīng)，建立了CF/EP復(fù)合材料在超臨界流體中降解的動力學(xué)模型，采用LM+通用全局優(yōu)化算法，結(jié)合相關(guān)系數(shù)逼近原則，解算了CF/EP復(fù)合材料降解的反應(yīng)級數(shù)n，并計算了不同反應(yīng)

5、溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)k。對反應(yīng)速率常數(shù)對數(shù)隨反應(yīng)溫度倒數(shù)的變化進(jìn)行線性回歸，解算了CF/EP復(fù)合材料降解反應(yīng)的活化能E和指前因子k0，建立了CF/EP復(fù)合材料在不同超臨界流體中的非催化降解反應(yīng)動力學(xué)方程。
　　(4)分析不同溫度和時間下超臨界正丁醇在非催化和催化作用下降解CF/EP復(fù)合材料的液相產(chǎn)物組分，研究了溫度和時間對主要液相產(chǎn)物組分含量的影響及作用規(guī)律。分析了超臨界正丁醇空白試樣組分，并結(jié)合CF/EP復(fù)合材料降解的主要液相產(chǎn)

6、物組分，以分子碰撞和自由基反應(yīng)理論為基礎(chǔ)，從CF/EP復(fù)合材料三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的斷鏈反應(yīng)方面推斷了CF/EP復(fù)合材料在超臨界正丁醇中的非催化和催化降解歷程，研究了CF/EP復(fù)合材料的降解機(jī)理。
　　(5)利用單因素試驗(yàn)研究溫度、溶劑含量、CF/EP復(fù)合材料質(zhì)量、時間、催化劑及其濃度等工藝參數(shù)對環(huán)氧樹脂降解反應(yīng)的影響，揭示環(huán)氧樹脂基體在超臨界正丁醇中降解的一般規(guī)律。采用單絲拉伸、微滴法、SEM、AFM、XPS、Roman光譜等手段分

7、析回收的碳纖維的形貌、表面性能、力學(xué)性能，揭示影響回收的碳纖維的性能和形貌的因素及基本影響規(guī)律。采用響應(yīng)面分析法，研究了超臨界正丁醇降解CF/EP復(fù)合材料的工藝參數(shù)優(yōu)化范圍，并建立了環(huán)氧樹脂基體的降解率與工藝參數(shù)的量化關(guān)系，獲得了CF/EP復(fù)合材料降解的最優(yōu)工藝參數(shù)，并研究了最優(yōu)工藝參數(shù)下回收的碳纖維的再資源化性能。
　　(6)催化降解過程中根據(jù)環(huán)氧樹脂基體的降解率隨反應(yīng)時間的變化，采用LM+通用全局優(yōu)化算法，結(jié)合相關(guān)系數(shù)逼近原則