基于超临界流体的高性能纤维增强树脂基复合材料再资源化方法与关键技术

With the increasingly widely application of high performance fiber reinforced polymer/plastic in the fields such as aerospace, electronic power, transportation etc, development of a green and efficient composites recycling method is becoming an imperative science and engineering problems. This project puts its emphasis on the research of recycling method, process and equipments for the composites. It will establish the recycling experimental system for fiber reinforced composites based on supercritical CO2 hybrid fluids technology. On the basis of composites recovery process model, we carry out further and systematic researches on supercritical mechanism and processes; clarify the law of decomposition, dissolution and diffusion for resin matrix materials in supercritical fluids; establish the quantitative relationship among fiber performance, resin matrix solution and decomposition, and supercritical processes; and establish the process evaluation model and optimize the process parameters. We will also carry out high performance fiber and resin matrix material recovery researches, and establish composites high value recycling, reuse and recovery system. This project can not only recycle high performance fiber, but also degrade, recycle and reuse thermosetting plastic such as epoxy resin. It improves the resource recycling and reduce the pollution on the environment. And it establishes a theoretical foundation for large scale green recycling of the composites.

随着高性能纤维增强树脂基复合材料在航空航天、电子电力、交通运输等领域的日益广泛应用，开发一种绿色、高效的复合材料回收方法成为亟待解决的科学和工程技术问题。本项目基于超临界流体技术开展复合材料回收的方法、工艺与装备研究，建立超临界CO2混合流体回收纤维增强树脂基复合材料的实验系统，在建立复合材料回收工艺过程模型的基础上，对超临界作用机理和作用过程进行深入系统研究，阐明树脂基体材料在超临界流体中的分解、溶解与扩散规律，建立纤维性能变化、树脂基体溶解及分解过程与超临界工艺参数间的量化关系，建立回收系统评价模型，优化系统各项工艺参数，并开展高性能纤维与树脂基体材料的再资源化研究，建立复合材料高价值再利用综合回收体系。项目的研究既能实现高性能纤维的回收再利用，又能降解、回收与再用环氧树脂等热固性塑料，对提高资源回收利用率、减少环境污染具有重要的现实意义，同时可为复合材料规模化的绿色回收奠定理论基础。

碳纤维增强树脂基复合材料的回收与再生利用是先进复合材料可持续应用的关键举措，符合国民经济可持续发展对“绿色”的意愿。从废弃的碳纤维增强树脂基复合材料中回收高性能的碳纤维材料具有巨大的经济意义和环境意义。本项目在综述国内外研究现状的基础上，从理论和实验研究两方面提出并深入研究了CF/EP复合材料的回收方法、技术及工艺的相关问题。理论方面，分析了CF/EP复合材料降解过程中的超临界流体传质行为，建立了CF/EP复合材料降解的超临界流体传质模型和传质方程，提出了超临界流体浓度分布和传质速率计算方法；从CF/EP复合材料三维交联网络结构的断链反应出发推导出CF/EP复合材料在超临界正丁醇中的降解机理，求解并得到CF/EP复合材料在不同超临界流体中的降解反应动力学方程，阐明了树脂基体材料在超临界流体中的分解、溶解与扩散规律。实验方面，开展了CF/EP复合材料回收的方法、工艺与装备研究，设计并搭建了最高温度为550°C、最大压力为40MPa的复合材料超临界流体回收系统及装置；通过研究不同类型超临界流体对CF/EP复合材料的降解作用，提出了适用于降解CF/EP复合材料的超临界流体选择机制；通过实验对超临界流体降解CF/EP复合材料进行了工艺研究，并采用响应面分析法优化了各项工艺参数，获得了最佳工艺条件：反应温度330°C、反应时间60min、添加剂浓度0.0538mol/L、投料比0.024g/mL; 在此条件下，回收得到的碳纤维具有优异的拉伸性能：表面平均粗糙度与原碳纤维相近，拉伸强度约为原碳纤维的93.58%，拉伸模量约为原碳纤维的94.87%。探索了超临界水/醇混合流体回收树脂基复合材料的工艺路线，提出了超临界水/醇混合流体回收复合材料的可产业化系统设计方案。本项目的研究不仅能实现碳纤维增强树脂基复合材料的低损伤高效率回收，又能为后期开展工业化大规模的绿色回收碳纤维复合材料奠定理论与方法基础，对提高资源利用率、减少环境污染具有重要的现实意义。