[发明专利]从含碳纤维的塑料中回收碳纤维的热解系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP)中，优选从含碳纤维的或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的技术领域。

特别的，本发明涉及用于从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP或CFP材料)中，优选从含碳纤维的和/或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的热解装置，以及其用于从含碳纤维的塑料中回收(再利用)碳纤维的用途。

此外，本发明涉及用于从含碳纤维的塑料中，特别是从碳纤维增强塑料(CFP)中，优选从含碳纤维的或碳纤维增强的复合物(复合材料)中回收(再利用)碳纤维的方法，以及通过该方法获得的回收碳纤维及其用途。

本发明还涉及塑料、建材或含水泥系统，其包括通过本发明的方法获得的回收碳纤维，或其使用通过本发明的方法获得的回收碳纤维而制备。

最后，本发明涉及成形体(例如部件)、模具和片状材料(如非织造物)，特别是复合材料或化合物的形式，其包括通过本发明的方法获得的回收碳纤维，或其使用通过本发明的方法获得的回收碳纤维而制备。

背景技术

在一般情况下，碳纤维增强塑料(也称为CFP)可被称为纤维塑料复合物，其中多个碳纤维优选嵌入在多个层中，作为在基体例如塑料中的增强材料。作为聚合物基体，能同时使用热固性材料如环氧树脂、丙烯酸酯和聚氨酯，以及热塑性材料，如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸酯(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)和聚氯乙烯(PVC)。然而，也能把碳纤维嵌入到由陶瓷组成的基体中(也称为陶瓷纤维复合物)，以获得非常热稳定的组件，例如制动盘。

碳纤维增强塑料(CFP)具有高的强度和刚度以及低重量，且优选地用于需要高重量比的强度和刚度的领域中。例如，CFP用在航空航天工业、风电行业、汽车制造或运动器材(例如自行车车架、速度滑冰鞋、网球拍，体育箭头和钓鱼竿)中。在建筑和建造中，碳纤维增强塑料(CFP)可以薄片的形式粘接在组件的表面上，以便增强结构。

在其它纤维基体复合物的情况下，由碳纤维增强塑料(CFP)生产的材料或组件在纤维方向上的强度和刚度通常显著高于垂直于纤维方向的强度和刚度。因此，例如，垂直于所述碳纤维的强度可低于使用的基体材料的强度。为了确保由CFP组成的材料或组件在空间所有方向上的均匀强度和刚度，单个纤维层布置在各个方向上。例如，在高性能结构组件的情况下，纤维方向可通过计算机的计算，例如经典层板理论来确定，以达到规定的强度和刚度。

在CFP生产中使用的原始碳纤维(也称为原纤维)在工业上主要由含碳原料，特别是聚丙烯腈(PAN)，通过在空气中的稳定化反应，随后在惰性气氛中热解并随后石墨化而制造。在制造过程中，原始碳纤维的刚度和强度可有针对性地通过预拉伸还有碳化和石墨化的温度来控制，使得各种纤维类型是市售的。由于其价格低廉的制造，HT纤维(高拉伸纤维)和IM纤维(中间模量纤维)主要用作原始碳纤维。为了提高原始碳纤维在石墨化后的粘合，原始碳纤维表面的氧化可通过电化学处理来进行。在一般情况下，原始碳纤维随后提供有胶料例如环氧树脂，并收集在一起以形成粗纱。这些粗纱在最后的步骤中卷绕到常规纺织锭子上。

取决于所使用的原始碳纤维的长度，可使用各种方法来制造碳纤维增强塑料(CFP)。具有长的原始碳纤维的CFP部分一般可通过树脂注塑工艺(也称为树脂传递模塑(RTM))来制造。在树脂注塑工艺的第一步骤中，制造预成型件，其由一层或多层织造原始碳纤维构成，以确保空间中所有方向上的恒定强度和刚度。在第二步骤中，这些预成型件在封闭的铸塑模具中与由塑料和任选的硬化剂组成的液化基体混合。在所述基体固化且去除多余的边缘材料之后，获得相应的CFP组件。

具有短的原始碳纤维，特别是短切原始碳纤维的碳纤维增强塑料(CFP)的制造通常是通过注射成型来进行的。为了这个目的，短切原始碳纤维分批与由一种或多种塑料组成的液化基体混合、挤出并随后通过注射成型来处理，以产生CFP组件。

然而，相比于使用由轻金属，例如铝、镁和钛组成的类似组件，使用碳纤维增强塑料(CFP)导致最终产品相当高的成本。特别的，这涉及利用含碳原料，特别是聚丙烯腈(PAN)的原始碳纤维的复杂和昂贵制造。此外，用于制造CFP组件的原始碳纤维的世界范围内的消耗增加很大，由于对原始碳纤维的全球高需求，可以预期使用碳纤维增强塑料的成本没有显著减少。