本發(fā)明涉及一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生處理方法及裝置，具體地，是用無氧、微壓、溫度可控可調(diào)的過熱蒸汽來汽化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的樹脂，整個系統(tǒng)無污染、無排放，能量循環(huán)使用達(dá)到低成本運(yùn)行。

背景技術(shù)：

碳纖維的強(qiáng)度是鋼的9-12倍，比重是鋼的1/4,碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，被稱為材料之王，在航空、交通等各個領(lǐng)域越來越多的使用。據(jù)資料介紹，全球每年的碳纖維制品在10萬噸以上，而且使用速度在加速。在中國，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為國家戰(zhàn)略要逐步推廣。

但到目前為止，碳纖維制品廢棄物還沒有很好的方法使其回收再利用，全球范圍內(nèi)，僅日本、德國等少數(shù)幾個公司有碳纖維廢棄物回收產(chǎn)業(yè)，其方法是直接燃燒碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料或在氮?dú)鈿夥罩屑訜崞曰厥仗祭w維原絲，以上2種方法使碳纖維原絲強(qiáng)度大幅度降低，能量不能循環(huán)利用，回收成本較高，對環(huán)境也不友好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料回收方法的缺陷，本發(fā)明提供了一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生處理方法及裝置。具體涉及一種用高溫過熱蒸汽來汽化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的樹脂的方法，碳纖維制品在處理爐中不氧化、不燃燒，處理溫度、處理時間都可控。本發(fā)明將飽和蒸汽，過熱蒸汽發(fā)生器，處理爐，油水氣分離裝置，有害氣體處理裝置設(shè)計成一套整體系統(tǒng)。該系統(tǒng)完全閉環(huán)，不需要外部提供能源，也實(shí)現(xiàn)了零排放。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：

本發(fā)明涉及一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生處理方法，以過熱蒸汽作為加熱熱源和傳熱介質(zhì)，將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品放入處理爐內(nèi)，密封爐蓋，向處理爐內(nèi)通入無氧或微氧(含氧量小于0.3％)、微壓的200～1000℃的過熱蒸汽對所述碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品進(jìn)行加熱。該方法實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在高溫下無氧熱分解，以去除碳纖維制品中的樹脂成分，保持碳纖維原絲性能不變。具體來說，加熱時，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品暴露于過熱蒸汽之中，從而碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品被加熱，其中的樹脂逐漸氣化分解至完全被氣化，得到碳纖維原絲，原絲的機(jī)械性能完全沒有下降。

優(yōu)選的，所述過熱蒸汽和處理爐內(nèi)溫度控制在400～700℃，加熱時間為1～6小時。

本發(fā)明還涉及一種本發(fā)明的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生處理方法采用的專用裝置，所述裝置包括過熱蒸汽發(fā)生器、處理爐、油水氣分離裝置、有害氣體處理裝置、污水處理裝置、油處理裝置、溫度控制系統(tǒng)；所述過熱蒸汽發(fā)生器、處理爐、油水氣分離裝置依次相連，所述油水氣分離裝置的污水出口與污水處理裝置相連，所述油水氣分離裝置的油出口與油處理裝置相連，所述油水氣分離裝置的可燃?xì)怏w出口分別與過熱蒸汽發(fā)生器、處理爐相連，所述溫度控制系統(tǒng)分別與過熱蒸汽發(fā)生器、處理爐相連，所述過熱蒸汽發(fā)生器的有害氣體出口與有害氣體處理裝置相連，所述處理爐中燃燒后的少量有害氣體出口與有害氣體處理裝置相連。處理爐產(chǎn)生的過熱蒸汽及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分解所產(chǎn)生的混合氣體通過油水氣分離裝置使其分離，可燃?xì)怏w可用作循環(huán)加熱過熱蒸汽發(fā)生器和處理爐的加熱系統(tǒng)使用。少量的污水和油混合物經(jīng)過油水氣分離器分離并分別通過污水處理裝置、油處理裝置得以分離、凈化。

優(yōu)選的，所述過熱蒸汽發(fā)生器為常壓或微壓(壓力小于0.2mpa)過熱蒸汽發(fā)生器。

優(yōu)選的，所述過熱蒸汽發(fā)生器為燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器、微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器或電加熱過熱蒸汽發(fā)生器。電加熱過熱蒸汽發(fā)生器采用電加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器采用微波加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器采用燃?xì)饧訜崴a(chǎn)生過熱蒸汽。

優(yōu)選的，所述燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器采用市場供應(yīng)的液化氣或是所述油水氣分離裝置分離出的可燃?xì)怏w加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽。

優(yōu)選的，所述處理爐內(nèi)設(shè)加熱裝置作為輔助加熱升溫能源。所述加熱裝置為燃?xì)饧訜嵫b置或電加熱裝置。所述燃?xì)饧訜嵫b置的燃?xì)鉃槭袌龉?yīng)的液化氣或是所述油水氣分離裝置分離出的可燃?xì)怏w。

優(yōu)選的，所述裝置還包括貯氣罐，所述貯氣罐與油水氣分離裝置的可燃?xì)怏w出口相連。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1、本發(fā)明通過先由過熱蒸汽發(fā)生器將水加熱成飽和蒸汽，再加熱成200～1000℃的過熱蒸汽；產(chǎn)生的過熱蒸汽含氧量小于0.3％，過熱蒸汽發(fā)生器為常壓或微壓(壓力小于0.2mpa),系統(tǒng)安全可靠，并且溫度可調(diào)可控。

2、本發(fā)明將過熱蒸汽發(fā)生器與處理爐用管道連接，實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的無氧、低壓、溫度可控加熱，從而在不損害碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品中碳纖維絲或織布性能的情況下，去除掉碳纖維上面的樹脂，使碳纖維原絲再生；去樹脂后的碳纖維織布或絲可以重新上樹脂再做成性能一樣的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品。

3、本發(fā)明還設(shè)計了循環(huán)利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料熱分解產(chǎn)生的可燃?xì)怏w裝置和去除有害氣體裝置以及污水、油凈化裝置，從而實(shí)現(xiàn)零排放，零污染。

4、本發(fā)明制取、循環(huán)利用碳纖維增加復(fù)合材料中的能量，極大的節(jié)約了碳纖維再生成本。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖對非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會變得更明顯：

圖1為本發(fā)明的原理框架圖；

圖2為用可燃?xì)怏w加熱的過熱蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為用微波加熱的過熱蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為處理爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為過熱蒸汽發(fā)生器，2為處理爐，3為油水氣分離裝置，4為有害氣體處理裝置，5為污水處理裝置，6為油處理裝置，7為溫度控制系統(tǒng)，8為貯氣罐，9為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，10為市售燃?xì)忮仩t，11為燃?xì)饧訜崞鳎?2為飽和蒸汽進(jìn)氣口，13為內(nèi)膽，14為外膽，15為保溫層，16為外殼，17為外殼加強(qiáng)筋，18為排水閥門，19為過熱蒸汽控制系統(tǒng)，20為過熱蒸汽出氣口，21為燃?xì)忮仩t，22為飽和蒸汽進(jìn)口，23為石英管道，24為過熱蒸汽出口，25為微波加熱裝置，26為微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器保溫層，27為微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器外殼，28為過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)，30為過熱蒸汽入口，31為處理爐保溫層，32為處理爐內(nèi)壁，33為燃?xì)饧訜嵫b置，34為爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)，35為處理爐爐蓋，36為處理爐內(nèi)膽，37為處理爐出氣口。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。聲明：以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都是屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例

本發(fā)明閉環(huán)設(shè)備系統(tǒng)如圖1所示，包括過熱蒸汽發(fā)生器1、處理爐2、油水氣分離裝置3、有害氣體處理裝置4、污水處理裝置5、油處理裝置6、溫度控制系統(tǒng)7；所述過熱蒸汽發(fā)生器1、處理爐2、油水氣分離裝置3依次相連，所述油水氣分離裝置3的污水出口與污水處理裝置5相連，所述油水氣分離裝置3的油出口與油處理裝置6相連，所述油處理裝置3的可燃?xì)怏w出口分別與過熱蒸汽發(fā)生器1、處理爐2相連，所述溫度控制系統(tǒng)7分別與過熱蒸汽發(fā)生器1、處理爐2相連，所述過熱蒸汽發(fā)生器1和處理爐2中燃燒后的有害氣體出口與有害氣體處理裝置4相連。處理爐2產(chǎn)生的過熱蒸汽及爐內(nèi)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9分解所產(chǎn)生的混合氣體通過油水氣分離裝置3使其分離，可燃?xì)怏w可用作循環(huán)加熱過熱蒸汽發(fā)生器和處理爐的加熱系統(tǒng)使用。少量的污水和油混合物經(jīng)過油水氣分離器3分離并分別通過污水處理裝置5、油處理裝置6得以分離、凈化。

各個子系統(tǒng)由管道、閥門、調(diào)節(jié)器連接，并配備有必要的壓力、溫度顯示器。下面結(jié)合碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生處理工藝闡述本發(fā)明閉環(huán)系統(tǒng)的工作原理。

第一步：將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料放入處理爐2內(nèi)，合上爐蓋。

第二步：將溫度控制系統(tǒng)7的過熱蒸汽溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度(400～700℃)，將溫度控制系統(tǒng)7的處理爐內(nèi)溫度調(diào)節(jié)至設(shè)定溫度(400～700℃)。

第三步：向過熱蒸汽發(fā)生器1內(nèi)通水，加熱水產(chǎn)生飽和蒸汽，再加熱產(chǎn)生高溫過熱蒸汽，并產(chǎn)生設(shè)定溫度的過熱蒸汽。

第四步：設(shè)定溫度的過熱蒸汽通過管道通入處理爐2內(nèi)，同時使處理爐2也加熱。

第五步：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9暴露于400～700℃過熱蒸汽中。

第六步：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9在400～700℃下開始分解，碳纖維制品不氧化，不燃燒，處理爐內(nèi)微壓力，安全可靠。

第七步：將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9在設(shè)定溫度下保溫1～6小時，以至碳纖維制品中的樹脂全部氣化。

第八步：處理爐2內(nèi)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9制品所分解的可燃?xì)怏w和過熱蒸汽混合氣體通過管道、閥門進(jìn)入油水氣分離裝置3。

第九步：混合氣體被油水氣分離裝置3冷卻分離后，可燃?xì)怏w通過管道、閥門進(jìn)入過熱蒸汽發(fā)生器1和處理爐2中燃燒作為熱源使用。

第十步：少量的污水經(jīng)過污水處理裝置5得以凈化。

第十一步：少量的油經(jīng)過油處理裝置6得以凈化。

第十二步：冷卻水被加熱可他用。

第十三步：可燃?xì)怏w經(jīng)燃燒后少量不燃?xì)怏w通入有害氣體處理裝置4得以處理。

第十四步：過剩的可燃?xì)怏w也可存入貯氣罐8內(nèi)待使用。

第十五步：關(guān)掉熱源，待處理爐2自然冷卻至200℃以下，打開處理爐2爐蓋，取出碳纖維原絲。

上述過熱蒸汽發(fā)生器可選用燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器。燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括外殼16、內(nèi)膽13外側(cè)和外膽14內(nèi)側(cè)構(gòu)成的過熱蒸汽通道、內(nèi)膽13內(nèi)置的燃?xì)饧訜崞?1、與燃?xì)饧訜崞?1相連的過熱蒸汽控制系統(tǒng)19、設(shè)于外殼16與外膽14之間的保溫層15以及排水閥門18；所述排水閥門18與過熱蒸汽通道底部相通。外殼16上還設(shè)有外殼加強(qiáng)筋17。所述內(nèi)膽13、外膽14和燃?xì)饧訜崞?1均為兩個，內(nèi)膽13均嵌套在外膽14內(nèi)側(cè),燃?xì)饧訜崞?1均設(shè)于內(nèi)膽13內(nèi)部；第一內(nèi)膽外側(cè)和第一外膽內(nèi)側(cè)構(gòu)成的第一過熱蒸汽通道與第二內(nèi)膽外側(cè)和第二外膽內(nèi)側(cè)構(gòu)成的第二過熱蒸汽通道相連通。市售燃?xì)忮仩t10產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)飽和蒸汽進(jìn)氣口12依次進(jìn)入第一過熱蒸汽通道、第二過熱蒸汽通道，產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)過熱蒸汽出氣口20輸送至處理爐。

燃?xì)膺^熱蒸汽發(fā)生器工作原理為：

由市售燃?xì)忮仩t10產(chǎn)生100～200℃的飽和蒸汽，飽和蒸汽由飽和蒸汽進(jìn)氣口12進(jìn)入內(nèi)膽13和外膽14組成的管道，此管道由燃?xì)饧訜崞?1加熱，加熱溫度由過熱蒸汽控制系統(tǒng)19設(shè)定、控制。產(chǎn)生的過熱蒸汽由過熱蒸汽出氣口20通入處理爐內(nèi)。

上述過熱蒸汽發(fā)生器還可選用微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器。微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器外殼27、外至內(nèi)依次設(shè)置的微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器保溫層26、微波加熱裝置25和石英管道23，以及與微波加熱裝置25相連的過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)28。燃?xì)忮仩t21產(chǎn)生的飽和蒸汽經(jīng)飽和蒸汽進(jìn)口22進(jìn)入石英管道23，通過過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)28控制微波加熱裝置25對管道內(nèi)的飽和蒸汽進(jìn)行加熱產(chǎn)生過熱蒸汽，經(jīng)過熱蒸汽出口24進(jìn)入處理爐。

微波加熱過熱蒸汽發(fā)生器工作原理為：

由市售燃?xì)忮仩t21產(chǎn)生100～200℃飽和蒸汽，飽和蒸汽經(jīng)飽和蒸汽進(jìn)口22通入石英材料制成的石英管道23內(nèi)，管道四周有微波加熱裝置25，微波加熱石英管道23內(nèi)的飽和蒸汽，使產(chǎn)生200～1000℃的高溫過熱蒸汽，200～1000℃的過熱蒸汽由過熱蒸汽出口24進(jìn)入處理爐內(nèi)。

處理爐的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，由外至內(nèi)依次包括處理爐保溫層31、處理爐內(nèi)壁32、處理爐內(nèi)膽36，還包括設(shè)置在處理爐上方的處理爐爐蓋35、設(shè)置在處理爐底部的處理爐出氣口37、設(shè)置在處理爐內(nèi)壁32與處理爐內(nèi)膽36之間的燃?xì)饧訜嵫b置33、過熱蒸汽入口30與處理爐內(nèi)膽36連通，處理爐內(nèi)膽36與處理爐爐蓋35之間的腔室設(shè)置有爐內(nèi)溫度控制系統(tǒng)34的測溫探頭。

處理爐工作原理為：

由過熱蒸汽發(fā)生器1產(chǎn)生的高溫過熱蒸汽由過熱蒸汽入口30通入處理爐2內(nèi)，加熱放置在爐內(nèi)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9，高溫過熱蒸汽既是熱源，也是傳熱介質(zhì)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料9中的樹脂隨著溫度的升高而逐步汽化分解，分解的可燃?xì)怏w和過熱蒸汽混合物由處理爐出氣口37排入油氣水分離裝置3。在某一溫度保持一定時間，碳纖維復(fù)合材料9中的樹脂會全部分解。因?yàn)槭菬o氧加熱，處理后的碳纖維原絲性能不變。在加熱升溫過程中，為了加速升溫，處理爐內(nèi)裝有燃?xì)饧訜嵫b置33作為輔助加熱。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料處理前，制品強(qiáng)度高、重量輕；處理后織布，碳纖維制品中的樹脂全部去除，織布干凈、柔順，可以重新上樹脂；處理后原絲，原絲干凈、柔順，機(jī)械強(qiáng)度沒有下降。

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料處理前后碳纖維單絲的強(qiáng)度對比如表1所示：

表1

備注：表1中所述的強(qiáng)度是指相對強(qiáng)度(相對值)。

由表1的數(shù)據(jù)對比可知，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料再生后單絲平均強(qiáng)度達(dá)到原絲強(qiáng)度的98％以上，對單絲性能沒有影響。

以上對本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。