胺类固化环氧树脂的解聚机理及CFRP回收技术研究

摘要

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高模量、耐热性能优良、质量轻、高强度等优异的性能，在航空航天、汽车、造船、体育休闲等制品中的应用日益广泛。随着需求量的增加，其废弃物也逐年增加，给环境造成了严重的负担。环氧树脂是CFRP制品中应用最多的基体，由于其固化后形成交联的三维网状结构，采用常规化学溶剂无法将其溶解或加热熔融，因此，采用合理的处理方法对CFRP制品废弃物进行回收已经成为一个重要的研究课题。
　　本文在充分归纳目前国内外对CFRP制品废弃物回收的研究现状的基础上，制定了以硝酸为介质，采用常压溶剂法解聚胺类固化环氧树脂及其复合材料的研究方案。研究了不同解聚条件（反应温度、硝酸浓度、反应时间）对解聚效果的影响，并以解聚率和回收碳纤维的强度保留率为指标，确定了最佳的解聚条件；对解聚产物进行红外和SEM分析，揭示了解聚反应的机理；根据反应速率的测定方法，对其反应动力学进行了研究，建立了反应的动力学模型。
　　研究结果表明，树脂的解聚率随着反应温度、硝酸浓度和反应时间的增加而增大，其中硝酸浓度是最重要的影响因素。在95℃8mol/L硝酸分解液的作用下，23h后复合材料中树脂的解聚率达99.18％，热重分析和扫描电子显微镜观察结果均表明回收碳纤维的表面附着的树脂很少、有轻微的氧化刻蚀；回收碳纤维的单丝强度有一定的损失，但是其保留率仍可达到80%以上，能够对其进行回收和再利用。
　　测定了胺类固化环氧树脂在硝酸介质中的宏观反应速率和反应的活化能，建立了其反应的动力学模型。通过恒定硝酸浓度法可以显著提高树脂的解聚速率，5h树脂即可基本解聚完全。采用红外光谱仪对解聚产物进行了定性分析，提出了胺类固化环氧树脂在硝酸介质中的解聚机理。红外分析表明，1112cm-1处峰明显降低，同时在解聚产物中出现了1537cm-1的苯环硝基峰。这说明在硝酸介质中固化环氧树脂的网状结构遭到了破坏，C-N键断裂同时引起了苯环的硝化。

目录

胺类固化环氧树脂的解聚机理及CFRP回收技术研究

Depolymerization mechanism of epoxy resin cured with amine and investigation on recovery technology of CFRP

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 环氧树脂及其固化

1.3 CFRP回收方法国内外研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章实验材料及测试方法

2.1 实验材料和设备

2.2 常压溶剂解聚实验方法

2.3 实验的分析表征

第3章环氧树脂的解聚及其复合材料回收技术研究

3.1 环氧树脂及复合材料的制备

3.2 解聚方案的制定

3.3 反应条件对解聚效果的影响

3.4 胺类固化环氧树脂的解聚速率

3.5 最佳投料比的确定

3.6 恒定浓度法解聚环氧复合材料

3.7 恒定浓度法回收CFRP效益评价

3.8 本章小结

第4章胺类固化环氧树脂的反应动力学研究

4.1 解聚产物的表征

4.2 解聚反应的质量传输过程

4.3 化学反应速率方程的建立

4.4 化学反应速率方程的验证

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

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致谢