Efficient recovery of carbon fibers from carbon fiber-reinforced polymers using direct discharge electrical pulses

使用直接放电电脉冲从碳纤维增强聚合物中高效回收碳纤维

第一作者: Chiharu Tokoro (Waseda University, The University of Tokyo)
通讯作者: Chiharu Tokoro (Waseda University) - tokoro@waseda.jp

DOI: 10.1016/j.compositesb.2024.xxxxxx

PDF原文

期刊名称: Composites Part B: Engineering
发表年份: 2024

论文亮点

研究背景

• 碳纤维增强聚合物（CFRPs）具有轻质、高强度等优点，广泛应用于航空、汽车等行业，但回收困难，主要挑战在于碳纤维与聚合物矩阵的分离。
• 现有回收方法（如 grinding、pyrolysis）存在局限性，例如纤维缩短、强度降低（降低50-85%），或使用有害化学物质，环境 impact 大。
• 电脉冲方法如电液压破碎（EHF）已被探索，但需要数百次放电，效率低，且选择性差。

研究方法

本研究比较了两种电脉冲方法：直接放电（DD）和电液压破碎（EHF），用于从CFRPs中回收碳纤维。

• 样品准备: 使用厚度8mm的CFRP层压板样品，模拟航空应用材料。DD方法使用100mm x 30mm样品，EHF方法使用20mm x 20mm样品。
• DD方法: 直接应用高压脉冲到CFRP样品，通过夹持电极 sandwich 样品两端，在自来水中进行。使用LCR电路，电容80μF，充电电压10kV，电极距离50mm。能量计算为4000J/脉冲。
• EHF方法: 使用商业设备（SELFLAG Lab），非接触水下放电，生成冲击波。参数：输入电压180kV，频率1Hz，电极距离10mm，电容37.5nF，能量计算为607.5J/脉冲，最多应用200次脉冲。
• 分析: 回收的碳纤维进行长度测量、单纤维拉伸测试（遵循JIS R 7606:2000和ISO 11566:1996）、扫描电子显微镜（SEM）观察、Raman光谱分析（评估结构缺陷）和热重分析（TG）测量树脂残留量。

主要结论

• DD方法回收的碳纤维长度更长，拉伸强度更高（保持81%初始强度），而EHF方法仅保持40%强度。
• DD方法能量效率更高，比EHF方法高约10倍，且表面残留树脂较少（DD: 20wt%, EHF: 34wt%）。
• Raman光谱显示DD回收的纤维结构降解小，缺陷少，适用于高质量回收应用。

图片内容与分析结果

Figure 1: CFRP层压样品的顶视图和横截面显微镜图像

内容: 显示CFRP样品的表面为平纹编织层， followed by 碳纤维层，交替方向45°排列。

分析结果: 样品结构复杂， highlighting 分离挑战。

Figure 2: DD方法的电极设置照片和示意图

内容: 显示电极夹持样品的 setup，包括绝缘橡胶板和 tape。

分析结果: 设置确保了稳定电流路径，促进直接放电。

Figure 3: DD使用的LCR电路示意图

内容: 电路图显示电容、开关和样品连接。

分析结果: 允许瞬时能量应用，优化分离效率。

Figure 4: EHF方法的电极设置示意图

内容: 显示电极垂直放置，样品水平对齐。

分析结果: 非接触设置依赖冲击波，导致效率较低。

Figure 5: DD方法回收的CFRP和CF照片

内容: 显示单次脉冲后表面层剥离和部分纤维分离。

分析结果: DD方法通过焦耳热和等离子体膨胀力实现有效分离。

Figure 6: EHF方法在不同放电次数后的CFRP和CF照片

内容: 显示10、50、100和200次放电后的样品状态。

分析结果: EHF需要多次放电才能实现完全破碎，效率低。

Figure 7: 纤维长度、强度、Raman光谱等数据

内容: 包括长度比、拉伸强度图、Raman光谱和G/D比。

分析结果: DD方法回收的纤维长度更长、强度更高，结构缺陷少。

Figure 8: SEM图像、TG曲线和树脂比率

内容: 显示DD和EHF回收纤维的SEM图像、TG曲线和树脂重量比。

分析结果: DD回收的纤维表面残留树脂少，TG曲线确认树脂分解少， liberation 更有效。