CFRP在超临界流体中的降解实验及动力学研究

摘要

碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics，CFRP）因其强度高、质量轻、耐久性好和耐腐蚀等优点，在航空航天、汽车工业、新能源工业等领域得到广泛应用。但碳纤维昂贵的价格限制了CFRP的广泛使用。在其生产过程中产生的边角料、残次品，使用过程中破坏的结构件及超过使用期的报废品中含有大量高性能的碳纤维材料。因此，废旧CFRP的回收与再生利用是实现碳纤维广泛应用的关键。
　　论文以自制CFRP为研究对象，结合研发的CFRP超临界流体回收装置，开展了如下研究工作:
　　(1)研究了CFRP在超临界CO2流体环境中的降解行为。分别考察了不同醇溶剂作为夹带剂时，超临界CO2和醇溶剂对CFRP中树脂基体降解的协同促进效应。结果表明:无夹带剂时，超临界CO2对CFRP的降解效果不明显;以醇类溶剂作为夹带剂时，超临界CO2和醇类夹带剂协同作用，可有效促进CFRP中环氧树脂的降解，并且保温时间、反应温度和夹带剂含量与CFRP中的环氧树脂降解率正相关;反应压力对环氧树脂的降解率作用不明显;酸性催化剂和H2O2的加入能大幅提高环氧树脂的降解率。
　　(2)研究了超临界甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇流体对CFRP中环氧树脂的降解能力。通过单丝拉伸测试，并结合Weibull分析方法，计算了回收碳纤维的力学性能，并采用SEM、AFM、XPS等测试手段分析了回收碳纤维的微观形貌和表面化学成分变化。结果表明:超临界正丁醇对CFRP中的环氧树脂有很好的降解能力，其次是超临界正丙醇，超临界甲醇不适于降解CFRP。不同超临界流体对CFRP的降解能力排序为:甲醇＜乙醇＜正丙醇＜正丁醇。在温度为360℃、保温时间为60min、溶剂含量为350mL时，与碳纤维原丝相比，超临界正丙醇和超临界正丁醇回收碳纤维的强度保持率在98％以上，回收的碳纤维表面几乎无树脂残留，微观形貌与碳纤维原丝保持一致。
　　(3)研究了CFRP在超临界醇溶剂中的降解动力学。首先建立了降解反应的动力学模型;依据CFRP在超临界醇流体中不同反应温度和时间条件下的降解实验，综合考虑最佳拟合和条件拟合曲线的相对位置，确定超临界醇类降解CFRP的反应级数n为2级，并分别计算了不同温度下的反应速率常数k，求解得到CFRP超临界降解反应的活化能E和指前因子k0，并最终建立了CFRP在不同超临界醇下的降解动力学方程。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景和研究意义

1．1．1 论文的研究背景

1．1．2 论文的研究意义

1．2 碳纤维增强复合材料概述

1．2．1 碳纤维简介

1．2．2 树脂基体简介

1．2．3 碳纤维增强复合材料

1．2．4 碳纤维复合材料的应用

1．2．5 碳纤维复合材料的回收综述

1．3 超临界流体概述

1．3．1 超临界流体简介

1．3．2 超临界流体的特性

1．3．3 超临界流体技术回收CFRP研究综述

1．4 论文主要研究内容及结构

1．4．1 论文选题

1．4．2 论文研究内容

1．4．3 论文结构安排

第二章 CFRP在超临界CO2中的降解实验

2．1 引言

2．2 实验器材与测试方法

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验设备

2．2．3 产物表征方法

2．3 实验方案

2．4 实验结果与讨论

2．4．1 超临界CO2对CFRP的降解行为

2．4．2 夹带剂对超临界CO2降解CFRP的影响

2．4．3 实验参数对超临界CO2降解CFRP的影响

2．5 本章小结

第三章 CFRP在超临界醇中的降解实验

3．1 引言

3．2 实验器材与测试方法

3．2．1 实验材料

3．2．2 实验设备

3．2．3 产物表征方法

3．3 实验方案

3．3．1 实验方法

3．3．2 温度的选择

3．3．3 溶剂量的选择

3．4 实验结果与讨论

3．4．1 实验参数对超临界醇类降解CFRP的影响

3．4．2 不同超临界流体对CFRP的降解能力对比

3．4．3 降解产物的分析与表征

3．5 本章小结

第四章 CFRP在不同超临界醇中降解的动力学

4．1 引言

4．2 动力学参数的求解

4．2．1 动力学模型的建立

4．2．2 动力学参数的计算

4．3 反应活化能的求解

4．3．1 反应活化能的模型

4．3．2 反应活化能的计算

4．4 反应动力学方程

4．5 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