高等学校化学学报 ›› 2017, Vol. 38 ›› Issue (9): 1687.doi: 10.7503/cjcu20170037
收稿日期:2017-01-16
出版日期:2017-09-10
发布日期:2017-08-25
作者简介:联系人简介: 黄海鸿, 男, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事绿色制造、 再制造与回收再资源化等研究. E-mail:基金资助:
HUANG Haihong*(
), ZHANG Baoyu, ZHAO Zhipei
Received:2017-01-16
Online:2017-09-10
Published:2017-08-25
Contact:
HUANG Haihong
E-mail:huanghaihong@hfut.edu.cn
Supported by:摘要:
采用响应面分析方法设计超临界正丁醇降解废弃的碳纤维/环氧树脂(CF/EP)复合材料降解实验, 用以回收碳纤维. 通过Design-Expert V8.0建立环氧树脂降解率和工艺参数之间的数学模型, 获得了最优工艺参数; 通过图形优化研究了工艺参数对环氧树脂基体降解率的影响规律; 通过场发射电子扫描显微镜、 原子力显微镜、 X射线光电子能谱仪、 显微共焦激光拉曼光谱仪及单丝拉伸等分析最优工艺参数下回收的碳纤维的表面形貌、 表面化学、 石墨化程度及力学性能. 结果表明, 建立的数学模型拟合误差范围为±5.5%, 实现了回收工艺参数的预估; 单因素对环氧树脂基体降解率的影响程度为: 反应温度>保温时间>添加剂浓度>正丁醇含量; 最优工艺参数为: 反应温度330 ℃, 保温时间60 min, 添加剂浓度0.0538 mol/L, 投料比0.024 g/mL. 回收的碳纤维表面无残留树脂, 没有发生明显的石墨化, 且表面平均粗糙度与原碳纤维相近; 与原始碳纤维相比, 回收的碳纤维的拉伸强度约为原碳纤维的93.58%, 杨氏模量约为原碳纤维的94.87%.
中图分类号:
TrendMD:
黄海鸿, 张保玉, 赵志培. 超临界正丁醇对回收碳纤维复合材料的降解及表征. 高等学校化学学报, 2017, 38(9): 1687.
HUANG Haihong, ZHANG Baoyu, ZHAO Zhipei. Degradation and Characterization of Recycling Carbon Fiber/Epoxy Resin Composites in Supercritical n-Butanol†. Chem. J. Chinese Universities, 2017, 38(9): 1687.
Fig.1 CF/EP before degradation and products after degradation(A) CF/EP before degradation; (B) solid residue of CF/EP after degradation; (C) liquid residue of CF/EP after degradation.
| Code | Process parameter | Level | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | ||
| A | Reaction temperature/℃ | 290 | 300 | 310 | 320 | 330 |
| B | Holding time/min | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| C | cKOH/(mol·L-1) | 0.02 | 0.03 | 0.04 | 0.05 | 0.06 |
| D | V(n-Butanol)/mL | 400 | 425 | 450 | 475 | 500 |
Table 1 Process parameters and levels
| Code | Process parameter | Level | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | ||
| A | Reaction temperature/℃ | 290 | 300 | 310 | 320 | 330 |
| B | Holding time/min | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 |
| C | cKOH/(mol·L-1) | 0.02 | 0.03 | 0.04 | 0.05 | 0.06 |
| D | V(n-Butanol)/mL | 400 | 425 | 450 | 475 | 500 |
| Source | Sum of squares | Degree of freedom | F-value | P-value>F-value | Significance |
|---|---|---|---|---|---|
| Relation | 0.066 | 12 | 19.53 | <0.0001 | Significant |
| A | 4.773×10-3 | 1 | 16.87 | 0.0007 | Significant |
| B | 0.011 | 1 | 38.60 | <0.0001 | Significant |
| C | 5.367×10-3 | 1 | 18.97 | 0.0004 | Significant |
| D | 6.055×10-4 | 1 | 2.14 | 0.1608 | Significant |
| AC | 1.830×10-3 | 1 | 6.47 | 0.0204 | Significant |
| CD | 4.442×10-4 | 1 | 1.57 | 0.2263 | Not significant |
| B2 | 3.353×10-3 | 1 | 11.85 | 0.0029 | Significant |
| C2 | 1.273×10-3 | 1 | 4.50 | 0.0480 | Significant |
| BCD | 1.051×10-3 | 1 | 3.72 | 0.0698 | Not significant |
| A2B | 4.726×10-3 | 1 | 16.70 | 0.0007 | Significant |
| A2D | 1.287×10-3 | 1 | 4.55 | 0.0470 | Significant |
| AB2 | 2.735×10-3 | 1 | 9.66 | 0.0061 | Significant |
| Residual | 5.093×10-3 | 18 | |||
| Lack of fit | 4.109×10-3 | 12 | 2.09 | 0.1884 | Not significant |
| Pure error | 9.843 | 6 |
Table 2 Analysis of variance for established mathematical model
| Source | Sum of squares | Degree of freedom | F-value | P-value>F-value | Significance |
|---|---|---|---|---|---|
| Relation | 0.066 | 12 | 19.53 | <0.0001 | Significant |
| A | 4.773×10-3 | 1 | 16.87 | 0.0007 | Significant |
| B | 0.011 | 1 | 38.60 | <0.0001 | Significant |
| C | 5.367×10-3 | 1 | 18.97 | 0.0004 | Significant |
| D | 6.055×10-4 | 1 | 2.14 | 0.1608 | Significant |
| AC | 1.830×10-3 | 1 | 6.47 | 0.0204 | Significant |
| CD | 4.442×10-4 | 1 | 1.57 | 0.2263 | Not significant |
| B2 | 3.353×10-3 | 1 | 11.85 | 0.0029 | Significant |
| C2 | 1.273×10-3 | 1 | 4.50 | 0.0480 | Significant |
| BCD | 1.051×10-3 | 1 | 3.72 | 0.0698 | Not significant |
| A2B | 4.726×10-3 | 1 | 16.70 | 0.0007 | Significant |
| A2D | 1.287×10-3 | 1 | 4.55 | 0.0470 | Significant |
| AB2 | 2.735×10-3 | 1 | 9.66 | 0.0061 | Significant |
| Residual | 5.093×10-3 | 18 | |||
| Lack of fit | 4.109×10-3 | 12 | 2.09 | 0.1884 | Not significant |
| Pure error | 9.843 | 6 |
| No. | Reactor temperature/℃ | Holding time/min | Additive concentration/ (mol·L-1) | V(n-Butanol)/ mL | Actual degradation rate(%) | Theoretical degradation rate(%) | Error (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 330 | 40 | 0.04 | 443 | 98.82 | 99.20 | -0.38 |
| 2 | 300 | 50 | 0.04 | 450 | 91.19 | 88.90 | 2.58 |
| 3 | 320 | 20 | 0.04 | 500 | 92.98 | 98.34 | -5.45 |
| 4 | 330 | 60 | 0.03 | 430 | 99.59 | 101.50 | -1.91 |
| 5 | 310 | 50 | 0.05 | 430 | 97.23 | 96.98 | 0.25 |
| 6 | 300 | 60 | 0.04 | 500 | 80.12 | 77.94 | -2.18 |
Table 3 Experiments of process parameters to verify the mathematical model
| No. | Reactor temperature/℃ | Holding time/min | Additive concentration/ (mol·L-1) | V(n-Butanol)/ mL | Actual degradation rate(%) | Theoretical degradation rate(%) | Error (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 330 | 40 | 0.04 | 443 | 98.82 | 99.20 | -0.38 |
| 2 | 300 | 50 | 0.04 | 450 | 91.19 | 88.90 | 2.58 |
| 3 | 320 | 20 | 0.04 | 500 | 92.98 | 98.34 | -5.45 |
| 4 | 330 | 60 | 0.03 | 430 | 99.59 | 101.50 | -1.91 |
| 5 | 310 | 50 | 0.05 | 430 | 97.23 | 96.98 | 0.25 |
| 6 | 300 | 60 | 0.04 | 500 | 80.12 | 77.94 | -2.18 |
Fig.2 Effect of different process parameters on degradation rate(A) t=40 min, c=0.04 mol/L; (B) temperature=310 ℃, L= 450 mL; (C) c=0.04 mol/L, L= 450 mL;(D) t=40 min, temperature=310 ℃.
| No. | Reaction temperature/℃ | Holding time/ min | c(Additive)/ (mol·L-1) | V(n-Butanol)/ mL | Actual degradation rate(%) | Theoretical degradation rate(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 100.69 | 100.00 |
| 2 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 98.17 | |
| 3 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 99.50 | |
| 4 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 98.71 | |
| 5 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 100.40 | |
| 6 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 99.87 |
Table 4 Experiments under the optimal process parameters
| No. | Reaction temperature/℃ | Holding time/ min | c(Additive)/ (mol·L-1) | V(n-Butanol)/ mL | Actual degradation rate(%) | Theoretical degradation rate(%) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 100.69 | 100.00 |
| 2 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 98.17 | |
| 3 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 99.50 | |
| 4 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 98.71 | |
| 5 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 100.40 | |
| 6 | 330 | 60 | 0.0538 | 413 | 99.87 |
| Species | C(%) | O(%) | N(%) | Si(%) | K(%) | O/C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Original carbon fiber | 77.96 | 20.29 | 1.09 | 0.66 | 0 | 0.260 |
| Recycled carbon fiber | 78.46 | 16.70 | 1.86 | 1.71 | 1.27 | 0.213 |
Table 5 Elemental composition of carbon fibers from XPS spectra
| Species | C(%) | O(%) | N(%) | Si(%) | K(%) | O/C |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Original carbon fiber | 77.96 | 20.29 | 1.09 | 0.66 | 0 | 0.260 |
| Recycled carbon fiber | 78.46 | 16.70 | 1.86 | 1.71 | 1.27 | 0.213 |
| Species | Comporition(%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C—C | C—OH | C | COOH | C | |
| Original carbon fiber | 67.93 | 29.13 | 1.45 | 0.48 | 0.99 |
| Recycled carbon fiber | 33.76 | 44.74 | 18.74 | 1.23 | 1.53 |
Table 6 Oxygen functional groups of carbon fibers from XPS spectra
| Species | Comporition(%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| C—C | C—OH | C | COOH | C | |
| Original carbon fiber | 67.93 | 29.13 | 1.45 | 0.48 | 0.99 |
| Recycled carbon fiber | 33.76 | 44.74 | 18.74 | 1.23 | 1.53 |
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