湿法造纸碳纤维回用及CFRP的制备

guolv1688

2018-03-20 环球过滤分离技术网


碳纤维增强树脂材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic, CFRP）是一类高性能复合材料，具有轻质、高强、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、易于设计等性能，广泛应用在航空航天、体育器材、压力容器、建筑材料、汽车制造、模具制造、风电叶片等领域。随着电动汽车的蓬勃发展，碳纤维增强树脂作为一种重要的汽车轻量化手段得到特别的关注。
碳纤维增强树脂的基体可以是热塑性也可以是热固性，其中碳纤维增强热塑性复合材料（Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic, CFRTP）具有较短的成型周期，适用于大规模生产。
在纤维增强复合材料的生产工艺中，浸渍是重要的一步。在浸渍工艺中，纤维与基材结合并融合成新材料。碳纤维增强热塑性复合材料的主要浸渍方法有：熔融法、溶液法、粉末法、粉末胶衣法、纤维掺杂法、膜浸法、拉挤法、聚合物法、悬浮法等。
然而由于碳纤维原料价格高昂，CFRP加工工艺复杂，碳纤维复合材料仅仅应用在高档汽车、F1赛车等，并未大规模应用。随着东丽、东邦等不断生产出强度更高、价格更低的碳纤维，研究人员更多地将精力放在缩短CFRP的生产周期、简化生产工艺的研究上，以期降低CFRP的价格。
碳纤维增强材料的湿法成型工艺是一种基于造纸原理的CFRP制备工艺。它的主要步骤包括：增强纤维和树脂纤维在介质中均匀分散，制成浆料，浆料滤水、干燥后得到混杂纤维纸页；层叠的纸页经模压成型制成成型品。传统上制备碳纤维复合材料包括以下几个步骤：碳纤维制成碳纤维织布；碳纤维织布与树脂浸渍制成预浸料；预浸料模压得到成型制品。对比可以知道，相较于传统工艺，湿法工艺可以简省一步工艺，降低成本。
D.M.Bigg D.F.Hiscock Caba Kimura等人利用抄纸技术，来采用回用的碳纤维，制备非连续长玻璃纤维或碳纤维增强热塑性复合材料；国内对于湿法制备碳纤维纸的研究较多，湿法制备CFRP的研究很少。湿法造纸工艺的一个大优势是可以实现碳纤维复合材料的循环利用。据统计，到2020年每年产生的碳纤维增强复合材料废料的数量为15-18万吨。
在本文的实验条件下影响CFRTP板材性能的最显著因素是碳纤维含量。碳纤维含量影响了预制品熔融后的流动性，进而影响了板材内部空隙率，最终影响了 板材力学性能。同时，这种基于造纸原理制备CFRTP的新工艺，容易实现器件的加工。在干燥混合纤维纸的同时，通过模压工艺，实现了器件的定型，如图所示。
利用造纸法法制备的CFRTP材料，可以采用机械处理将其处理成碳纤维和树脂粉末，然后在造纸工艺中循环使用。
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