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《深圳大学》 2017年
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碳纤维增强复合材料的电化学回收方法研究

陈丕钰  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)在航空航天、土木建筑、工业制造和体育用品等领域应用越来越广。碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Cementitious composite,CFRC)在建筑加固与防护领域处于不断的研究应用阶段,未来有希望取代CFRP材料。巨大的碳纤维增强复合材料消费量,带来了严重的废弃物问题,亟需进行回收处理。国内外学者对回收碳纤维进行了研究开发,主要发展了三大回收体系:机械回收法、热分解回收法和化学溶剂回收法。这些回收方法存在的不足之处主要有回收碳纤维力学性能下降较大,回收条件苛刻等,例如数百摄氏度的温度、几兆帕到二十几兆帕的压强、高浓度的酸碱化学试剂等,阻碍了回收技术的应用发展。为了发展常压低温条件、操作简单,回收碳纤维性能优良的的回收方法,本论文选择电化学法对CFRP和CFRC进行回收研究。针对上述目的,本文设计、开展和完成了相关系列的研究,主要包括:1)电化学法回收CFRP的性能研究。首先在常温下进行电流与NaCl参数优化实验,选出较优参数,加入自行设计溶液A催化剂进行再次优化实验,在此基础上最后进行高温(T系列)回收实验。通过CFRP性能变化、碳纤维回收量、回收碳纤维力学性能和表面微观与化学结构,评估回收效果,探究回收规律。结果表明,施加大电流(≥62.5mA)未能回收到碳纤维,反而造成CFRP严重劣化;在较高NaCl浓度(≥x2)环境作用小电流,可以回收碳纤维。电流越小碳纤维除胶率和拉伸强度越高,提高NaCl浓度有利于碳纤维回收。催化剂A大幅提高了碳纤维回收量,加剧碳纤维表面氧化,降低回收拉伸强度。提高反应温度,加快环氧树脂的降解速度,增大碳纤维回收量,缩短回收周期,降低碳纤维的氧化程度,提高拉伸强度。最佳参数的碳纤维拉伸强度为89.83%(vsVCF),高于机械回收法,稍优于热分解法,低于化学溶剂法。2)电化学法回收CFRC的性能研究。基于CFRP回收研究,设置小电流和较高NaCl浓度参数,使用自行设计和研发的溶液B作为催化剂进行CFRC回收实验,再进行高温(T系列)回收实验。结果表明,催化剂B在回收中起到非常重要的影响,低浓度B环境下水泥基材料劣化不足;z3的浓度B环境下,碳纤维回收量最大,各项性能均较好;高浓度B环境造成碳纤维劣化严重,力学性能下降。电流和NaCl浓度参数对碳纤维性能的影响较小。提高温度加快回收速度,缩短了回收周期,提高碳纤维回收量和拉伸强度,温度越高,碳纤维表面氧化越严重。最佳参数的碳纤维拉伸强度达到89.58%(vsVCF)。
【关键词】:CFRP CFRC 电化学回收 催化剂 温度
【学位授予单位】:深圳大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ327.3;TB332
【目录】:
  • 摘要3-5
  • Abstract5-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 研究背景及意义11-13
  • 1.2 国内外研究现状13-17
  • 1.2.1 碳纤维增强树脂基复合材料的回收研究现状13-17
  • 1.2.2 碳纤维增强水泥基复合材料的回收研究现状17
  • 1.3 本文的主要内容及结构安排17-18
  • 1.4 课题来源18-19
  • 第二章 实验设计及试验方法19-30
  • 2.1 实验设计19-23
  • 2.1.1 实验系统装置19
  • 2.1.2 试件准备19-23
  • 2.2 实验测试方法23-30
  • 2.2.1 试件电压监测23-24
  • 2.2.2 热重分析(TGA)测试24-25
  • 2.2.3 碳纤维单丝拉伸性能测试25-26
  • 2.2.4 碳纤维单丝界面剪切强度测试26-27
  • 2.2.5 环境扫描电子显微镜(ESEM)测试27-28
  • 2.2.6 原子力显微镜(AFM)测试28-29
  • 2.2.7 X-射线光电子能谱(XPS)29-30
  • 第三章 常温条件下电化学回收碳纤维增强树脂基复合材料的研究30-63
  • 3.1 引言30
  • 3.2 电流与NaCl参数优化实验30-42
  • 3.2.1 实验运行方案30-32
  • 3.2.2 实验结果分析32-40
  • 3.2.3 电化学回收机理讨论40-41
  • 3.2.4 小结41-42
  • 3.3 催化剂A对电化学回收碳纤维增强树脂基复合材料的影响42-63
  • 3.3.1 实验运行方案42-43
  • 3.3.2 实验结果分析43-51
  • 3.3.3 机理探究51-61
  • 3.3.4 小结61-63
  • 第四章 温度对电化学回收碳纤维增强树脂基复合材料的影响63-80
  • 4.1 引言63
  • 4.2 实验运行方案63-65
  • 4.3 实验结果分析65-72
  • 4.3.1 试件电压结果分析65-66
  • 4.3.2 碳纤维回收量及除胶率分析66-67
  • 4.3.3 回收碳纤维单丝拉伸强度分析67-69
  • 4.3.4 回收碳纤维界面剪切强度分析69-72
  • 4.4 机理探究72-78
  • 4.4.1 SEM分析72-73
  • 4.4.2 AFM分析73-75
  • 4.4.3 XPS分析75-78
  • 4.5 本章小结78-80
  • 第五章 常温条件下电化学回收碳纤维增强水泥基复合材料的研究80-101
  • 5.1 引言80
  • 5.2 实验运行方案80-81
  • 5.3 水泥基材料清除81-83
  • 5.4 实验结果分析83-92
  • 5.4.1 电化学回收后的复合材料硬度及碳纤维回收量分析83-87
  • 5.4.2 试件电压分析87-88
  • 5.4.3 回收碳纤维单丝拉伸强度分析88-89
  • 5.4.4 回收碳纤维界面剪切强度分析89-92
  • 5.5 机理探究92-99
  • 5.5.1 SEM分析92-93
  • 5.5.2 AFM分析93-97
  • 5.5.3 XPS分析97-99
  • 5.6 本章小结99-101
  • 第六章 温度对电化学回收碳纤维增强水泥基复合材料的影响101-114
  • 6.1 引言101
  • 6.2 实验运行方案101-102
  • 6.3 实验结果分析102-107
  • 6.3.1 复合材料硬度及碳纤维回收量分析102-103
  • 6.3.2 试件电压分析103-104
  • 6.3.3 回收碳纤维单丝拉伸强度分析104-105
  • 6.3.4 回收碳纤维界面剪切强度分析105-107
  • 6.4 机理探究107-113
  • 6.4.1 SEM分析107-108
  • 6.4.2 AFM分析108-110
  • 6.4.3 XPS分析110-113
  • 6.5 本章小结113-114
  • 第七章 总结与展望114-117
  • 7.1 总结114-116
  • 7.2 展望116-117
  • 参考文献117-125
  • 致谢125-126
  • 攻读硕士学位期间的成果126

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