纤维增强树脂复合材料化学回收技术

纤维增强树脂复合材料化学回收技术

王鹏，孙广浩，韩帅

中国建筑第八工程局有限公司  河南省郑州市450000

摘要：随着科技进步与广泛应用，不断有新型材料研制成功和投入使用，纤维增强树脂就是一种广泛应用于众多工业产品制造的复合型材料，在工业领域日与繁荣的情况下，纤维增强树脂复合材料消耗量逐年提高，但是与此同时，大量工业产品使用寿命终结衍生的失效纤维增强树脂复合材料也越来越多，由于该材料存在回收利用价值，任其弃之不顾会造成环境污染与资源浪费问题，因此下文着重探讨纤维增强树脂复合材料化学回收技术，期待与相关人士共同讨论。

关键词：纤维增强树脂；复合材料；化学回收技术

引言

现代生活中，工业制品使用量越来越大，但是由于任何工业产品都有一定生命周期，而且也会因为诸多原因受损，故而也会出现一定量的报废或是受损工业制品，其中很多废旧工业制品中都含有纤维增强树脂复合材料。该种材料具有强度高、易加工等优势，同时也具备回收再利用价值，但是现阶段虽说纤维增强树脂复合材料应用极为广泛，但是其回收技术发展较为迟缓，因此很有必要客观分析纤维增强树脂复合材料回收困境，并加强纤维增强树脂复合材料化学回收与处理技术研究。

1FRPC的回收困境

FRPC（纤维增强聚合物复合材料）材料回收面临的主要困难有以下几个方面：复杂的组成和性质差异：FRPC由不同类型的纤维和基质树脂组成，其物化性质因此而产生巨大差异。这使得寻找通用的回收方法变得困难，需要针对不同种类的FRPC开发特定的回收工艺。结构复杂性和不可逆交联：FRPC的成型过程非常复杂，经历各种物化反应，形成结构复杂的高分子材料。其中，一些热固性树脂发生不可逆的交联反应，导致材料无法恢复到原始状态，增加了回收的难度。回收后材料性能改变：当FRPC进入化学回收过程后，由于材料经历了化学反应和热处理，其性能可能发生不可逆的改变。这可能导致回收材料的性能下降，降低了回收价值。物理回收方法的限制：目前主要采用物理回收方法来处理FRPC，如粉碎、研磨等。然而，这些物理处理方法往往会破坏纤维的连续性和材料的性能，导致回收效益较低。因此，需要更加精细和高效的物理回收方法来克服这一问题。针对以上困难，需要进一步研究和开发有效的回收技术，包括化学回收、热回收以及改进的物理回收方法，以提高FRPC材料的回收率和回收后材料的性能。同时，推动可持续的FRPC设计和再制造，减少废弃物的产生，也是解决这一问题的重要途径。

2FRPC的化学回收技术

2.1树脂处理技术分析

在进行FRPC化学回收时，需要根据不同条件选择适当的处理方法，以获得所需的回收产物。初级再生产品的条件要求较低，但其性能通常不如原始材料。在进行FRPC树脂处理时，需要权衡处理条件和产物性能之间的关系。使用聚合物单体进行处理可以获得良好的性能，但反应条件较为苛刻，且可能出现副作用。因此，在选择树脂处理方法时，需要考虑处理条件和副作用对回收效果的影响。在优化树脂处理方法时，需要研究如何增加小分子化学品产物的选择性，以提高回收效率和经济效益。优化树脂处理方法的目标是使其能够更好地服务于FRPC的回收再利用。例如，使用溶剂、催化剂和光照等方法可以将聚苯乙烯降解成小分子物质，以实现更高效的回收过程。直接使用水解法处理树脂可以快速转化为具有功能的材料。这种方法可以提高处理效率和产物品质，是一种值得探索的树脂处理途径之一。

2.2热解处理技术

热解法的优点是能够将FRPC材料分解成可利用的小分子物质，包括纤维和基质树脂。这些分解产物可以进一步应用于制备新材料、能源回收或其他工业用途。然而，需要注意的是，热解法也存在一些挑战，例如高温操作要求和分解产物的处理和利用等方面。因此，在实际应用中，需要综合考虑经济性、环境友好性和技术可行性等因素，选择最适合的化学回收方法来处理FRPC材料。

2.2.1溶剂法

溶剂法回收原理是通过使用溶剂来溶解或化学降解树脂，从而分离出纤维。这种方法的优点是操作温度较低，从而减小了对纤维的破坏程度。超/亚临界流体法则利用流体在超/亚临界状态下的特殊性质加速树脂的分解过程。相较于传统方法，该方法的优点在于所需的压力较低，有利于高效分解树脂，并且得到的纤维具有良好的力学性能。同时，这种方法没有废气和废液产生，对环境更加友好。然而，FRPC溶剂法和超/亚临界流体法也存在一些挑战。首先，这两种方法对设备和反应条件要求较高，需要较大的资金投入。其次，与热解法相比，溶剂法和超/亚临界流体法更能保护纤维的性能，但在实际应用中仍需要进一步研究和改进。

目前，专家学者们对这两种回收方法进行了大量的研究，致力于提高回收效率和降低成本。这表明溶剂法和超/亚临界流体法在FRPC回收领域具有重要的研究价值，并有望在未来得到更广泛的应用。

2.2.2电化学回收法

电化学回收法通过在电解液中施加电流，引发树脂的电化学降解反应，使其分解成溶于电解液中的离子或低分子化合物，从而分离出纤维。过高的电解液浓度可能导致碳纤维（CF）表面的氧化和氯化反应加剧，从而降低碳纤维的性能。因此，电解液浓度的选择需要平衡树脂降解速度和保护碳纤维性能之间的关系。添加催化剂KOH可以显著提高树脂的降解速度，同时保护碳纤维的性能。KOH的存在可以促进电化学反应，提高反应速率，并且可以减少对碳纤维的不良影响。电化学回收法的温度较低，这有利于保持碳纤维的抗拉性能，使其接近原始值的90%。相对于其他回收方法，电化学回收法对设备要求较低，因此可以应用于大尺寸FRPC的回收，同时也能够更好地保持碳纤维的力学性能。

2.2.3高温热解法

高温热解法可以通过以下步骤实施：材料预处理：首先需要将废弃的FRPC材料进行预处理，例如去除任何表面涂层、填充物或附加组件。加热到高温：将预处理后的FRPC材料置于高温环境中，通常在500℃至800℃之间，以促使热解反应发生。在这些温度下，FRPC材料开始分解，产生气体和固体产物。分解产物收集：通过合适的设备，将产生的气体和固体分解产物进行收集。气体可以进一步处理、净化和利用，而固体产物可以用于其他用途。精细分离和纯化：对于收集到的固体产物，可以进行进一步的精细分离和纯化。例如，可以通过筛网、磁力分离等方法将纤维和基质树脂分开，以便二者单独利用或回收。

2.2.4流化床热解法

流化床热解法是一种高效的FRPC（CarbonFiberReinforcedPolymer）化学回收方法。其通过将粉碎后的FRPC材料置于流化床反应器中，在高温条件下进行热解反应。该方法具备以下优点：首先，能够连续进行输入和产出，提高处理效率；其次，通过旋风分离器可以有效地分离纤维和其他固体颗粒，实现纤维的无杂质回收；此外，相较于传统高温热解法，流化床热解法能更充分地利用树脂热解释放的热量。然而，纤维在高温和机械磨损下会降低其长度和力学性能，且回收纤维表面具有更多官能团，与树脂结合程度较高。尽管如此，该方法仍适用于处理高度污染的FRPC废弃物。综上所述，流化床热解法是一种值得研究和应用的FRPC化学回收技术。

结束语：综上所述，纤维增强树脂复合材料作为一种具备强度高、成本低及易加工等诸多优质特点的高性能材料，应广泛应用于诸多工业产品加工制造，但是其使用量不断提高，也促使工业产品报废后的失效纤维增强树脂复合材料越来越大，虽说该种材料存在一定回收利用价值，但是却面对着缺乏行之有效的回收方法等困境，因此相关人员应积极探索纤维增强树脂复合材料化学回收技术。

参考文献

[1]田梓赏,王玉琪,侯相林.炭纤维增强环氧树脂复合材料的化学回收与再利用研究进展[J].新型炭材料(中英文),2022,37(6):25.