超临界水/醇混合流体回收CF/EP复合材料的工艺研究

摘要

碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP)拥有耐腐蚀性强、高比模量、热稳定性好、高比强度和抗冲击性等优异性能，在汽车工业、航空航天等领域均得到了广泛应用。CFRP废弃物若按常规废弃物处理，不仅会造成环境污染，而且会造成资源的巨大浪费，因此CFRP的回收与再利用是高性能复合材料绿色发展的重要举措，符合我国资源节约与可持续发展战略。
　　碳纤维/环氧树脂基(CF/EP)复合材料是CFRP中应用最为普遍的一种，论文在综述国内外研究现状的基础上，针对CF/EP复合材料回收方法和工艺方面展开如下研究工作:
　　(1)研究了在相同工艺条件下水、醇、水/醇混合流体对CF/EP复合材料的降解行为。结果表明:水/醇混合流体可以更加高效地降解CF/EP复合材料。同时对比分析了不同超临界水/醇（甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇）混合流体对CF/EP复合材料中环氧树脂的降解效果，综合考虑溶解度参数、介电常数、偶极矩等溶解特性参数对环氧树脂溶解性能的影响，建立了适宜于CF/EP复合材料回收的超临界混合流体选择机制。
　　(2)在超临界水/正丁醇环境下进行CF/EP复合材料降解实验，研究催化剂浓度、保温温度、保温时间、水/正丁醇混合比例等工艺参数对环氧树脂降解率的影响。在不同保温温度和保温时间条件下进行CF/EP复合材料的降解实验，用麦夸特法和通用全局优化法，结合相关系数逼近原则，解算出相关参数，进而建立了在超临界水/正丁醇混合流体环境下CF/EP复合材料的降解反应动力学方程。
　　(3)对回收的固相产物进行表征，通过SEM分析在不同工艺参数下回收碳纤维的微观形貌，并采用单丝拉伸测试分析其力学性能。同时为提高回收效率对超临界回收装置进行了优化设计，并初步设计了废旧CF/EP复合材料产业化回收装备的原型系统。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和研究意义

1．1．1 碳纤维增强复合材料

1．1．2 碳纤维复合材料的应用领域

1．1．3 复合材料废弃量及回收政策

1．1．4 复合材料的回收意义

1．2 CFRP的回收研究现状

1．2．1 机械回收方法

1．2．2 热回收方法

1．2．3 化学回收方法

1．3 主要研究内容及结构

1．3．1 论文选题

1．3．2 研究内容

1．3．3 结构安排

第二章 CF／EP在超临界流体中的降解实验

2．1 实验器材与测试方法

2．1．1 实验设备和材料

2．1．2 实验方法

2．2 超临界流体对CF／EP复合材料的降解行为

2．2．1 混合流体的临界条件计算

2．2．2 验证分析混合流体的作用

2．2．3 降解CF／EP复合材料的超临界水／醇混合流体的选择

2．3 本章小结

第三章 CF／EP在超临界水／正丁醇中的回收工艺及动力学

3．1 不同工艺参数对环氧树脂降解率的影响

3．1．1 水／正丁醇混合比例对环氧树脂降解率的影响

3．1．2 催化剂浓度对环氧树脂降解率的影响

3．1．3 保温时间对环氧树脂降解率的影响

3．1．4 保温温度对环氧树脂降解率的影响

3．2 CF／EP复合材料的降解反应动力学模型

3．2．1 CF／EP复合材料降解的反应速率方程

3．2．2 CF／EP复合材料降解的反应动力学参数n和k的计算

3．2．3 CF／EP复合材料降解的反应动力学参数活化能和指前因子求解

3．2 CF／EP复合材料降解的反应动力学方程的建立和验证

3．3 本章小结

第四章 固相产物的表征及回收系统优化设计

4．1 不同回收工艺参数对固相产物形貌的影响

4．1．1 水／正丁醇混合比例对回收碳纤维微观形貌的影响

4．1．2 催化剂浓度对回收碳纤维微观形貌的影响

4．1．3 保温时间对回收碳纤维微观形貌的影响

4．1．4 保温温度对回收碳纤维微观形貌的影响

4．2 不同回收工艺参数对回收碳纤维的力学性能的影响

4．2．1 纤维单丝拉伸强度测试计算

4．2．2 水／正丁醇混合比例对回收碳纤维力学性能的影响

4．2．3 催化剂浓度对回收碳纤维力学性能的影响

4．2．4 保温时间对回收碳纤维力学性能的影响

4．2．5 保温温度对回收碳纤维力学性能的影响

4．3 产业化回收设计方案的建立

4．3．1 反应釜上端盖和反应釜釜体之间的闭合和分离

4．3．2 超声强化装置的优化设计

4．3．3 产业化回收系统的搭建

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况