本发明涉及一种碳纤维的回收，尤其涉及一种废旧碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维的回收装置及方法。
背景技术：
碳纤维（carbonfiber,简称cf），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维具有很多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，x射线透过性好，良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。预计，全球废弃碳纤维增强树脂基复合材料制品至2020年可达5万吨，其中碳纤维2.5万吨以上，按平均价格200元／千克计算，价值约合人民币50亿元以上。每100千克航空碳纤维增强树脂基复合材料废弃物中，就有大约60～70千克的碳纤维。这些废料大多采用填埋的方式，占用了大量的工业和农业用地，一方面污染土地，另一方面浪费了资源。因为碳纤维的高性能，被大量应用到航空航天领域中。截止到2026年大约有6400架空客飞机达到使用寿命终结期，而波音公司也表示大约有5000多架飞机需要退役。这些碳纤维仍然具有极高的再利用价值，其力学强度和电、磁、热性能几乎与原有碳纤维相当，可用来重新制备高性能复合材料。
在2015年，cfrp废弃物回收及其再利用技术，被国家工信部确定为优先发展的产业关键共性技术205项之一。目前国内外针对碳纤维增强树脂基复合材料回收的技术研究还未成熟。而最大的阻碍在于高昂的回收生产成本，再生材料性能的降低和技术的不成熟。目前碳纤维增强树脂基复合材料的回收方法主要包括能量回收法、机械回收法、热回收法和化学回收法。机械回收法的回收过程不会产生污染，但是回收得到的纤维结构受到极大的破坏，力学性能大大降低，回收后的利用率不高。真空裂解法技术已经比较完善，缺点就是回收的碳纤维表面有残留物附着。流体处理法则是无法适用于所有种类的复合材料，也不能完全去除混入原材料里的杂质。现有的回收装置也比较少，比如利用超临界流体法的回收装置，需要高压高温条件，操作困难，安全隐患较高。利用化学回收法的装置需要大量化学试剂，缺点就是反应液的后续处理复杂，反应时间太长，而且化学试剂会产生二次污染。
现有技术已经公开的回收碳纤维的方法有电化学法、流化床法等。cn201410751745.1公开了电化学分解回收得到干净的碳纤维，但是回收过程中反应一次需要3天至100天，电解反应速度缓慢，回收效率太低。cn201310451779.4公开了流化床分解得到碳纤维的方法，优点是不像传统的流化床技术中需要手动添加用于分离碳纤维的石英砂，最初添加后能够循环利用，不浪费时间并提高回收效率，缺点在于其需要配备鼓风机、空气加热器、螺旋输送机、筛分机等一系列机器，需要耗费大量的能源。
废旧碳纤维增强树脂基复合材料的回收具有很大的经济意义和环境意义。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种利用太阳能回收碳纤维的装置及方法，有效提高碳纤维的回收效率，利用新能源达到节能的效果，降低对环境的二次污染，尽可能还原碳纤维原有的力学性能，降低回收成本。
为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种利用太阳能高效回收碳纤维的装置，由槽式聚光集热单元、加热反应单元、废气回收单元构成：所述槽式聚光集热单元用于利用抛物面聚光反射镜下方的跟踪系统调节角度，将太阳光聚集在真空集热管处；所述加热反应单元用于将氧气存储系统中浓度为5%～15%的氧气通过进气管输入到真空集热管内，加热真空集热管内的碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末的混合物，驱动系统工作带动真空集热管开始匀速旋转；所述废气回收单元用于将反应产生的废气通过排气管排入到废气回收系统中。
所述槽氏聚光集热单元包括抛物面聚光反射镜、钢结构支架、真空集热管和跟踪装置；所述加热反应单元包括氧气储存系统、排气管、驱动系统；所述废气回收单元包括排气管、废气回收系统。所述抛物面聚光反射镜固定在钢结构支架上，跟踪系统固定在抛物面聚光反射镜下方；所述钢结构支架上设有轴承，所述轴承上穿有支撑轴，所述支撑轴与固定端焊接，所述固定端上穿有真空集热管；所述真空集热管放在抛物面反射镜的空间内侧；所述真空集热管两端分别通过气管旋转接头连接所述进气管和排气管，所述进气管连接氧气储存系统，所述排气管连接废气回收系统；在氧气输入端的所述支撑轴上连接驱动系统。
所述驱动系统为步进电机。
所述的真空集热管为直通式金属-玻璃真空集热管，外管为高硼硅玻璃管，内管为不锈钢吸热管，两端用金属波纹管连接内外管，在内管通氧气的一端装有直径为54mm，孔径为100µm的流化板。所述不锈钢吸热管两端分别通过气管旋转接头连接进气管和排气管。所述不锈钢吸热管的外壁面磁控溅射有选择性吸收涂层，玻璃管与不锈钢吸热管之间为10-4~10-3mmhg的真空区域，玻璃管与不锈钢吸热管之间采用熔封技术密封。所述玻璃管的内径为94mm、外径为100mm、管长2060mm，不锈钢吸热管的内径为54mm、外径为60mm、管长2m，管内温度能达到450℃以上。
所述跟踪系统选用圆柱蜗杆传动的机械传动设计与单片机控制系统相结合实现自动跟踪，其蜗轮轴与抛物面聚光反射镜转轴相连接，固定在抛物面聚光反射镜下方，采用单轴跟踪方式，沿南北水平方向放置，跟踪太阳自东向西旋转，跟踪系统的步进电动机转矩为25n·m。
本发明还公开了利用太阳能高效回收碳纤维的方法，具体步骤如下：
步骤1：取下三根不锈钢吸热管排气端的三个气管旋转接头，将定量废弃碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末加入到三根真空集热管中的不锈钢吸热管中，用气管旋转接头在三根不锈钢吸热管两端连接进气管和排气管，分别与氧气存储系统和废气回收系统相连。
步骤2：跟踪系统根据太阳入射光线，调整抛物面聚光反射镜与地面的角度，驱动系统工作带动支撑轴和三个真空集热管开始匀速旋转。
步骤3：当不锈钢吸热管内温度达到350℃后，打开进气管和排气管阀门，浓度为5%～15%的氧气通过流化板，流进不锈钢吸热管内，与碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末接触，反应生成的废气排入废气回收系统。
步骤4：当不锈钢吸热管内温度达到450℃时，通过单片机输出脉冲信号传入到电脑控制跟踪系统移动一定角度，当不锈钢吸热管内温度达到350℃时，通过电脑控制跟踪系统移动一定角度，使管内温度维持在300℃～500℃；10min-30min后加热反应单元内反应完全，关闭驱动系统，真空集热管停止旋转。
步骤5：待温度恢复到常温后，取下不锈钢吸热管排气端的气管旋转接头，余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理得到表面干燥的碳纤维材料。
所述的氧化物半导体粉末包括cr2o3、st-21型tio2、st-01型tio2、fe2o3、zno、nio、α-fe2o3、cuo、cu2o等。
本发明的有益效果：
（1）利用太阳能回收碳纤维，相比于一般流化床热解法回收碳纤维，能为回收碳纤维的热反应持续提供能源，大大减少了对不可再生能源的消耗，同时也不会对环境造成污染；
（2）与一般回收碳纤维相比，本回收装置采用三个真空集热管匀速旋转，同时吸热并反应回收碳纤维，提高了回收碳纤维的效率；
（3）采用纳米级氧化物半导体粉末作为回收碳纤维反应的催化剂，不仅加快回收反应速率，提高反应分解率，而且反应完全生成co2和h2o，不对环境产生污染。
附图说明
图1是本发明利用太阳能高效回收碳纤维的装置示意图。
图1标号：1抛物面聚光反射镜、2跟踪系统、3真空集热管、4高硼硅玻璃管、5不锈钢吸热管、6固定端、7金属波纹管、8气管旋转接头、9进气管、10进气管阀门、11氧气存储系统、12气体质量流量计、13轴承、14排气管阀门、15废气回收系统、16驱动系统、17流化板、18支架、19支撑轴、20排气管。
图2是本发明利用太阳能高效回收碳纤维的部分装置三维图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，图1是本发明利用太阳能回收碳纤维的装置示意图，该装置由槽式聚光集热单元、加热反应单元、废气回收单元构成：其中槽氏聚光集热单元包括抛物面聚光反射镜1、钢结构支架18、真空集热管3和跟踪系统2；加热反应单元包括进气管9、氧气储存系统11、驱动系统16；废气回收单元包括排气管20、废气回收系统15；抛物面聚光反射镜1固定在钢结构支架18上，跟踪系统2固定在抛物面聚光反射镜1下方；钢结构支架18上设有轴承13，轴承13上穿有支撑轴19，支撑轴19与固定端6焊接，固定端6上穿有真空集热管3；真空集热管3放在抛物面反射镜1的空间内侧；真空集热管3两端分别连接进气管9和排气管20，进气管9连接氧气储存系统11，排气管20连接废气回收系统15；在氧气输入端的支撑轴19上连接驱动系统16。
在本发明实施例中，真空集热管3为直通式金属-玻璃真空集热管，外管为高硼硅玻璃管4，内管为不锈钢吸热管5，两端用金属波纹管7连接内外管，在内管通氧气的一端装有流化板17；不锈钢吸热管5两端分别通过气管旋转接头8连接进气管9和排气管20。不锈钢吸热管5的外壁面磁控溅射有选择性吸收涂层，玻璃管4与不锈钢吸热管5之间为10-4～10-3mmhg的真空区域，玻璃管4与不锈钢吸热管5之间采用熔封技术联接。玻璃管4的内径为94mm，外径为100mm，管长2060mm；不锈钢吸热管5的内径为54mm，外径为60mm，管长2m，管内温度能达到450℃以上；流化板直径为54mm，孔径为100µm。
在本发明实施例中，抛物面聚光反射镜1是由多块抛物形柱面镜拼接组成，镜组焦距为1m～2m，集合聚光倍数为95～120。跟踪系统2选用圆柱蜗杆传动的机械传动设计与单片机控制系统相结合实现自动跟踪，其蜗轮轴与抛物面聚光反射镜1转轴相连接，固定在抛物面聚光反射镜1下方，采用单轴跟踪方式，沿南北水平方向放置，跟踪太阳自东向西旋转，跟踪系统2的步进电动机转矩为25n·m。
槽式聚光集热单元用于利用抛物面聚光反射镜1下方的跟踪系统2根据太阳光线的入射角来调节角度，将太阳光聚集在真空集热管3处；加热反应单元用于将氧气存储系统11中浓度为5%～15%的氧气通过进气管9输入到不锈钢吸热管5内，加热不锈钢吸热管5内的碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末的混合物，驱动系统16工作带动三个真空集热管3开始匀速旋转；废气回收单元用于将反应产生的废气从不锈钢吸热管5左端的排气管20排入到废气回收系统15中。具体步骤如下：
步骤1：取下三根不锈钢吸热管5排气端的三个气管旋转接头8，将定量废弃碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末的混合物加入到三根真空集热管3中的不锈钢吸热管5中，在三根不锈钢吸热管5两端分别用气管旋转接头8连接进气管9和排气管20，并与氧气存储系统11和废气回收系统15相连。
步骤2：跟踪系统2根据太阳入射光线，调整抛物面聚光反射镜1的角度，驱动系统16工作带动支撑轴19和三个真空集热管3开始匀速旋转。
步骤3：当不锈钢吸热管5内温度达到350℃后，打开进气管阀门10和排气管阀门14，浓度为5%～15%的氧气气流通过不锈钢吸热管5内的流化板17进行分散，与碳纤维增强树脂基复合材料和氧化物半导体粉末充分接触，且不会引起粉末的飞散从而堵塞排气管20影响反应的进行，氧化物半导体受热分解成氧化孔穴和自由基，氧化孔穴捕获电子与之结合，不稳定的自由基与复合材料中的树脂基反应分解成单分子，单分子与氧气反应生成co2和h2o，反应生成的co2排入废气回收系统。
步骤4：当不锈钢吸热管5管内温度达到450℃时，通过电脑控制跟踪系统2移动一定角度，使得反射的太阳光线偏离真空集热管3来降低温度。当不锈钢吸热管5管内温度达到350℃时，通过电脑控制跟踪系统2移动一定角度，使得反射的太阳光线汇聚在真空集热管3处来提高温度，使不锈钢吸热管5内温度保持在300℃~500℃。10min-30min后加热反应单元内反应完全。关闭驱动系统，真空集热管3停止旋转。
步骤5：待温度恢复到常温后，取下不锈钢吸热管5排气端的气管旋转接头8，余下的固体材料为高性能的碳纤维材料，通过干燥处理得到表面干燥的碳纤维材料。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的一种实施方式，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。