[发明专利]一种催化分解碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及废旧碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的回收技术领域，尤其涉及一种催化分解碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的方法。

背景技术

碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料简称为CF/EP复合材料，是碳纤维增强复合材料的一个重要分支，具有比强度高、比模量高、密度小、热膨胀系数小、抗蠕变性能优异、结构尺寸稳定、耐腐蚀、耐热、耐低温及材料性能可设计等优点，因此既可以作为结构承载材料又可以作为功能材料使用，目前已广泛应用于航空航天、交通工具、电子工业、消费品和体育业等领域，并且其用量正逐年快速增长。

随着时间的推移，达到寿命周期的飞机、风机叶片、高速列车、公路车辆、船艇、运动商品等都面临着回收的问题，其中CF/EP复合材料在这些产品中的比重很大，例如在最新的波音787飞机中，CF/EP复合材料占飞机总重量的50％，但是CF/EP复合材料具有不溶、不熔以及不易被微生物分解的特点，回收之后的处理和再循环利用非常困难，另一方面，CF/EP复合材料中的碳纤维价值比较高，据报道平均每制备1吨碳纤维就需要耗资1万英镑以上，因此研究CF/EP复合材料的回收处理技术，以实现碳纤维的循环再利用具有极大的重要性和必要性。

目前报道的CF/EP复合材料的主要回收处理方法有：粉碎、焚烧、溶剂回收以及水热降解法等。其中，粉碎法属于物理回收方法，是将粉碎的CF/EP复合材料作为添料用于其他体系，研究表明，与原始热固性环氧树脂相比，添加20％回收料后，材料的弯曲强度和冲击强度会有所降低；采用焚烧法虽然可以回收部分能量，但是碳纤维是一种价值很高的商品，焚烧过程又需要消耗大量能源，因此用于热量值高的材料才具有意义；有机溶剂回收法需要的成本较高；水热降解法虽然具有干净无毒的特点，但是分解产物与水混在一起，不易分离。

另外，近年来有研究者报道采用高温无氧分解法、微波辐射法、流化床法以及超临界流体法回收CF/EP复合材料，报道称可将高模量碳纤维恢复到近乎原始的状态，但是这些方法存在导致纤维缩短、纤维的特性退化或使用高浓度、有毒和强腐蚀性化学品的缺点，还未被广泛应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的现状，提供一种催化分解碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的方法，该方法具有分解效率高、环境友好、资源循环利用、易于实现等优点。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：一种催化分解碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的方法，以SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸为催化剂、过氧化氢为氧化剂与碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料发生反应，使热固性环氧树脂氧化分解为苯或苯酚的同系物后溶于有机溶剂中，然后冷却、固液分离，将得到的固体洗涤、干燥后分离出碳纤维和SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸，将得到的液体减压蒸馏后得到分解后的热固性环氧树脂。

上述方法的一种具体实现方案如下：

一种催化分解碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料的方法，包括如下步骤：

步骤1：在反应容器中放入适量碳纤维增强热固性环氧树脂复合材料、SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸、协效剂和有机溶剂，加热至40℃～80℃后滴入过氧化氢水溶液，然后升温至60℃～120℃反应2小时～24小时，使热固性环氧树脂完全分解成为苯或苯酚的同系物后溶于有机溶剂，之后冷却、固液分离，得到固体中间产物与液体中间产物；

步骤2：将步骤1得到的固体中间产物洗涤、干燥后分离出碳纤维和SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸；将步骤1得到的液体中间产物减压蒸馏后得到热固性环氧树脂。

为优化上述实现方案，采取的措施还包括：

步骤1中的协效剂优选为Fe、Cu或FeSO₄；

SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸中的M优选为Fe、Ha、Hf、Si、Ti、Sn、Zr、Ge、W、Mo或Al元素；

SO₄^2-/M_xO_y型固体超强酸占反应容器中反应物总质量的百分数为0.001％～50％；