碳纤维的回收及其在超级电容器中的应用

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由于具有质量轻、强度高等特点,碳纤维增强复合材料(CFRP)被广泛用于航空航天、国防军事、汽车工业、新能源和体育制品等领域中。随着CFRP复合材料需求量的增加,其废弃物也日益增多,给环境造成了严重的负担,另一方面,高价值碳纤维的回收具有良好的经济回报。由于热固性高分子基体具有不溶不熔的特性,因此对此类CFRP废弃物的回收成为一个技术难题。目前,对于热固性高分子基CFRP的废弃物,尚无完全成熟的回收工艺,因此探索简单、高效、低耗的方法是有效回收和再利用的关键。  本论文分别采用溶剂热法和电热法对CFRP材料进行有效的处理,从而回收得到干净的碳纤维。在此回收的基础上,研究了碳纤维或金属氧化物/碳纤维材料作为电极在超级电容器中的应用,具体内容包括以下三部分:  (1)溶剂热法回收碳纤维的研究  分别尝试选用正丙醇或苯甲醇作为溶剂,采用溶剂热法处理CFRP原料回收碳纤维,并进一步研究了处理温度、时间以及有机溶剂对于回收效果的影响。研究结果表明:单独采用正丙醇或苯甲醇的溶剂热过程处理CFRP材料,可以显著降解高分子基体,但即使在240℃下反应42 h仍然无法得到单丝碳纤维;结合二氯甲烷的浸泡预处理过程(6h),则在240℃的溶剂热处理温度下即可基本去除环氧树脂,得到单丝碳纤维,且该单丝碳纤维有效地保持了原有碳纤维的拉伸强度(95%)。  (2)基于自发热效应从热固性CFRPs中回收碳纤维  由于碳纤维具有优异的导电性,而且它具有比高分子基体更高的分解温度(800℃vs.400℃),因此通过给碳纤维通入电流,利用其发热引起温度升高,实现降解高分子基体达到回收碳纤维的目的。回收条件优化结果为:当电流为18A,处理时间为40 min时,即可完全处理CFRP,得到表面干净、无损伤的碳纤维。  (3)回收的碳纤维(RCF)和α-Fe2O3/RCF的电化学性能研究  首先选取回收的碳纤维,研究其超级电容性能,在此基础上,尝试了以该碳纤维为基体,以FeCl3·6H2O为铁源,通过一步水热法在碳纤维上负载Fe2O3颗粒从而得到Fe2O3/RCF复合材料。通过对铁盐和尿素比例的调控,探讨了金属氧化物活性物质负载量对其电化学性能的影响。该材料显示了优异的超级电容性能:在10Ag-1的电流密度下,得到的α-Fe2O3/RCF电极比容量最高达780.8 F g-1,2000圈循环后能够保持87%以上的容量。
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