碳纖維-環(huán)氧復合材料的超臨界流體回收機理及工藝研究.pdf

1、碳纖維增強樹脂基復合材料的回收與再生利用是先進復合材料可持續(xù)應用的關鍵舉措，符合國民經濟可持續(xù)發(fā)展對“綠色”的意愿。從廢棄的碳纖維增強樹脂基復合材料中回收高性能的碳纖維材料具有巨大的經濟意義和環(huán)境意義，碳纖維的表面性能、力學性能和回收效率是影響碳纖維增強樹脂基復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、技術及工藝是提高回收過程綜合效應的必要前提。論文在綜述國內外研究現(xiàn)狀的基礎上，從理論和試驗研究兩方面提出并深入研

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

3、動力學參數與傳質方程相關聯(lián)，分別提出了考慮Fick效應和非Fick效應存在下的超臨界流體濃度分布和傳質速率計算方法。
　　(2)搭建了超臨界流體回收CF/EP復合材料的工藝試驗系統(tǒng)，以自制的CF/EP復合材料層板為對象，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，研究了不同類型夾帶劑對超臨界CO2降解CF/EP復合材料的攜帶促進效應。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復合材料

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

5、溫度下的反應速率常數k。對反應速率常數對數隨反應溫度倒數的變化進行線性回歸，解算了CF/EP復合材料降解反應的活化能E和指前因子k0，建立了CF/EP復合材料在不同超臨界流體中的非催化降解反應動力學方程。
　　(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復合材料的液相產物組分，研究了溫度和時間對主要液相產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，并結合CF/EP復合材料降解的主要液相產

6、物組分，以分子碰撞和自由基反應理論為基礎，從CF/EP復合材料三維交聯(lián)網絡結構的斷鏈反應方面推斷了CF/EP復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復合材料的降解機理。
　　(5)利用單因素試驗研究溫度、溶劑含量、CF/EP復合材料質量、時間、催化劑及其濃度等工藝參數對環(huán)氧樹脂降解反應的影響，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。采用響應面分析法，研究了超臨界正丁醇降解CF/EP復合材料的工藝參數優(yōu)化范圍，并建立了環(huán)氧樹脂基體的降解率與工藝參數的量化關系，獲得了CF/EP復合材料降解的最優(yōu)工藝參數，并研究了最優(yōu)工藝參數下回收的碳纖維的再資源化性能。
　　(6)催化降解過程中根據環(huán)氧樹脂基體的降解率隨反應時間的變化，采用LM+通用全局優(yōu)化算法，結合相關系數逼近原則