近临界水分解碳纤维/环氧复合材料层合板的实验研究

【摘要】：碳纤维/环氧复合材料广泛应用于航天、体育、医疗等领域,由于其不能在高温熔融也不能在溶剂中溶解,因此对其废弃物进行分解回收成为一个非常棘手的问题。 本实验利用近临界水成功对碳纤维/环氧复合材料层合板进行了分解,回收得到碳纤维。首先探讨了不同反应条件对层合板分解特性的影响,研究发现随着温度的升高和时间的延长,环氧树脂的分解率增加;而投料比对环氧树脂的分解率影响较小;随溶剂量增加,环氧树脂的分解率会先增加后减少;在水中加入硫酸、氢氧化钾后,环氧树脂的分解率增加,氢氧化钾的催化效果要好于硫酸的催化效果;增加层合板层数会使环氧树脂的分解率下降。 利用扫描电镜、金相显微镜、单丝拉伸和气质联用等测试手段,对层合板的固相和液相分解产物进行了表征。扫描电镜观察表明在较高分解率下可以得到表面清洁的碳纤维;单丝拉伸测试表明回收碳纤维的拉伸强度为原纤维的98%,纤维损伤很小;气质联用(GC-MS)测试表明,液相分解产物主要为n-羟基苯甲亚氨酸甲酯、苯酚、对异丙基苯酚和对异丙烯基苯酚。随着温度的增加、时间的延长以及催化剂浓度的增加,这四种物质所占比例也随之增加。 使用回收碳纤维制备再生环氧复合材料,并对其力学性能进行了测试,发现再生复合材料的拉伸强度为原生复合材料的92.85%、弯曲强度为原生复合材料的96.47%,说明使用近临界水回收得到的碳纤维完全可以再次使用。 最后利用ANSYS软件对近临界水中碳纤维/环氧复合材料层合板的应力和应变进行了分析。结果表明外界温度和压力对层合板的X、Y方向的应力和应变的作用方向是不同的。文中还分析了层合板层数对层合板应力和应变的影响,增加层合板层数会使层合板的剪切应力、剥离应力以及Y方向的应变增加,但会使X方向的应变减少。