廢棄碳纖維復合材料基碳材料構建及其太陽光水蒸發性能研究

摘 要：近年來，由于環氧樹脂基碳纖維增強復合材料（ECFRP）在航空航天、軍事國防、民用等領域廣泛應用，ECFRP廢棄物越來越多。拓展廢棄ECFRP回收方法和應用領域是解決該問題的有效方法之一。本文通過不同碳化溫度獲得ECFRP基碳材料，并將其應用于光熱轉換領域。超景深顯微鏡和SEM結果顯示：碳化溫度500℃條件下，碳纖維表面殘留較多樹脂；而550℃和600℃條件下，碳纖維呈分散狀態。當溫度超過650℃后，碳纖維緊密貼在一起。由X-射線能譜儀結果可知，隨著碳化溫度升高，碳材料中碳元素含量呈增加趨勢，由碳化溫度500℃下的91.97%上升到碳化溫度800℃下的98.39%。在一個太陽光條件下，ECFRP基碳材料純水蒸發效率呈現先增加后減小趨勢，這可能是由于在高溫碳化下碳纖維之間緊密相連，阻礙了蒸汽的傳遞與揮發。當碳化溫度為550℃時蒸發速率最高，為1.71 kg·m-2·h-1，顯示出較好的光熱轉換水蒸發效率。本研究為廢棄ECFRP回收及在海水淡化、污水處理等領域的應用提供借鑒指導意義。

關鍵詞：復合材料；回收；光熱轉換；海水淡化；污水處理

中圖分類號：TS190.3 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）03－0040－07

0 前言

纖維增強復合材料具有輕質、高強、低碳環保、可設計加工性強等優點，在國民經濟和社會發展領域顯示了廣闊的應用前景[1，2]。長期以來我國復合材料固廢物處理沒能有效解決的問題矛盾突顯[3]。據行業統計，至2019年復合材料邊角廢料產量累計超過300萬噸，預計服役期滿（復材制品壽命20-50年）的報廢產品約有200萬噸，且逐年大量增長。因此，如何有效處理復合材料廢棄物，尤其是應用較多的ECFRP將是制約復合材料行業可持續發展的一個瓶頸[4]。

當前，廢棄ECFRP處理方法主要有以下幾個方面：一是利用直接填埋或焚燒等傳統方法處理，但這種方法不僅污染環境，而且造成資源嚴重浪費[5]。二是通過切割等物理方法將廢棄ECFRP切割成小尺寸碎片加以利用，但這種方法無法獲得長的回收碳纖維且對回收碳纖維利用價值較低[6]。三是通過高溫處理將樹脂分解而得到回收碳纖維，但是這種方法溫度高能耗高且不能回收利用樹脂部分[7]。四是通過溶劑體系進行樹脂的降解而得到回收碳纖維，這種方法既能回收樹脂也能回收碳纖維，但是溶劑體系一般含有強酸強堿或強氧化性物質，該方法廣泛使用還有待進一步深入[8]。對于回收的碳纖維來說，短的回收碳纖維一般用作填料，而長的回收碳纖維一般用作織物如碳纖維氈材料。拓展碳纖維回收方法或回收碳纖維應用領域是解決廢棄ECFRP固廢問題的有效方法之一。

光熱轉換是利用光熱材料能夠吸收太陽光使材料溫度升高而用于潔凈水生產的一種方法。該方法僅僅依靠自然界太陽光就可以實現從海水和污水中獲得凈水目的。因此，被認為是當前水處理領域極具研究價值和潛在應用前景的方法之一[9-11]。碳材料是主要的光熱材料之一[12]。因此，廢棄ECFRP基回收碳材料可以拓展其在海水淡化和污水處理中的應用。然而，截至目前，相關研究報道較少。

因此，本研究通過不同碳化溫度獲得ECFRP基碳材料，并將其應用于光熱轉換領域。主要研究內容有：（1）采用不同的碳化溫度，獲得廢棄ECFRP基碳材料；（2）通過超景深顯微鏡和SEM表征不同碳化溫度下回收碳材料表面形貌；（3）通過X-射線能譜儀表征不同碳化溫度下回收碳材料碳元素含量；（4）通過純水蒸發實驗，探究不同碳化溫度下回收碳材料光熱轉換性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料

廢棄ECFRP，中電科蕪湖鉆石飛機制造有限公司；去離子水，實驗室自制。

1.2 實驗儀器

超景深顯微鏡：VHX-S600E，日本基恩士傳感器公司；掃描電子顯微鏡：S-4800，日本日立有限公司；高溫管式爐：GSL-1600X，合肥科晶材料技術有限公司；模擬日光氙氣光源：PL-XQ500W，北京普林賽斯科技有限公司；電子天平：JM-A10002，諸暨市超澤衡器設備有限公司；臺式帶鋸機：MBS240E，德國PROXXON有限公司。

1.3 樣品制備

首先，利用臺式帶鋸機將廢棄ECFRP裁剪成一定大小。然后，將裁剪后的廢棄ECFRP進行去離子水清洗。最后，將清洗后的塊狀廢棄ECFRP放入坩堝中，然后一起放入碳化爐中，充入惰性氣體作為保護氣體。將升溫速率設置為5℃/min到達最終設定溫度，到達設定溫度后保溫60min。設定溫度分別為500℃、550℃、600℃、650℃、700℃和800℃。碳化完成后取出，即得到不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料。

1.4 性能測試與表征

超景深顯微鏡表征：將不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料進行超景深顯微鏡表征；掃描電鏡表征（SEM）：測試電壓為5 kV，測試電流為10 mA；

水蒸發測試表征：將太陽光模擬器光強調整為1個太陽光，將碳化后碳材料直接放于水面上，空白部分用泡沫填充。水蒸發速率（η）計算公式為：

η = m / （s×h）

其中，m為蒸發1h后水損失質量（單位為kg），s為材料橫截面積（單位為m2），h為水蒸發時間（單位為h）。

2 結果與討論

2.1 廢棄ECFRP基碳材料制備過程及應用示意圖

碳化工藝能夠使得非碳元素物質隨流動氮氣除去而留下以碳元素為主的碳材料。如圖1所示，首先將廢棄ECFRP用臺式帶鋸機切成一定大小長方形塊狀材料（圖1）。然后，對裁剪后的廢棄ECFRP進行潔凈處理。將裁剪后的廢棄ECFRP在去離子水中攪拌并晾干，以除去廢棄ECFRP雜質。然后，將清洗后的廢棄ECFRP放入坩堝中，并一起放入高溫碳化爐中。碳化工藝為：以5 ℃/min升溫速率從室溫

升至設定溫度，并保溫60 min。其中，設定溫度分別為500℃、550℃、600℃、650℃、700℃和800℃。碳化結束后取出，即得到廢棄ECFRP基回收碳材料。由文獻報道可知，碳材料為主要的光熱材料之一，具備太陽光吸收率高、光熱轉換效率高等特點[13]。因此，本實驗得到的廢棄ECFRP基回收碳材料能夠用于海水淡化和污水處理如印染廢水、生活工廠污水處理等領域。

2.2 不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料形貌表征

為了探究不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料形貌，進行了超景深顯微鏡表征。如圖2a所示，碳化溫度500℃條件下，超景深纖維鏡圖片為暗黃色，相較于其他碳化溫度，暗黃色顯示出碳纖維表面可能有較多的樹脂，這個結果在后面的電鏡表征中得到了驗證。當碳化溫度為550℃時，呈現出單纖維狀態，此時超景深圖片為暗灰色，但也呈現出淡黃色（圖2b）。當碳化溫度為600℃時，超景深圖片為暗灰色，且出現一定的光澤（圖2c）。當碳化溫度為650℃和700℃時，相比較于500℃和550℃，碳纖維之間出現部分粘連（圖2d，圖2e），這個結果被隨后電鏡表征進一步證明。值得注意的是，如果碳纖維之間粘連較多而緊密度過大，將阻礙蒸汽的傳輸，從而對光熱轉換效率有不利影響[14]。當碳化溫度為800℃時，碳化后碳纖維光澤較強，表面看到明顯的殘留碳（圖2f）。

為進一步探究不同碳化溫度對碳化后碳材料形貌影響，進行了SEM表征。如圖3a所示，當碳化溫度為500℃時，可以看到碳纖維表面有較多殘留的物質，可以推斷在此碳化溫度下，仍有部分樹脂未完全碳化，殘留物質為未碳化充分的樹脂。當碳化溫度為550℃時，相較于500℃，碳纖維表面已經見不到殘留物，表明碳化已經較充分。而且，在此碳化溫度下，碳纖維呈現較多的單纖維狀態（圖3b）。當碳化溫度為600℃時，碳纖維也較多的呈現單纖維狀態（圖3c）。當碳化溫度為650時℃，纖維間出現較多的粘連，使得纖維緊密度增大（圖3d）。這可能是由于較高的碳化溫度下，碳材料產生一定的收縮。同時，樹脂在碳化過程中，隨著非碳元素被流動氮氣快速地帶走，剩下的殘留炭起到了連接纖維的作用。從而使得纖維間出現較多的粘連現象。當碳化溫度為700℃和800℃時，纖維間粘連現象仍然嚴重（圖3e，圖3f）。雖然隨著碳化溫度升高，碳含量理論上會呈增加趨勢，但這種粘連現象的出現將阻礙蒸汽傳輸進而降低光熱裝換水蒸發效率。這個結果也被后面不同碳化溫度下碳材料純水蒸發效率驗證。總之，從以上形貌表征結果可知，不同碳化溫度會影響碳化后碳材料表面形貌，對碳化后碳纖維間粘連程度也有較大影響。

2.3 不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量表征

碳化溫度影響碳材料中碳元素含量，而碳元素含量影響光熱轉換水蒸發效果。因此，利用X-射線能譜儀對不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料進行元素分析。如圖4和表1可知，不同碳化溫度下，廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量不同。當碳化溫度為500℃時，得到的廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量為91.97%（圖4a，表1），這可能是由于在此碳化溫度下，環氧樹脂碳化不充分而導致碳元素含量較少。當碳化溫度為550℃時，得到的廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量升高，達到94.53%（圖4b，表1），說明提高碳化溫度，能得到碳元素含量更高的碳材料。當碳化溫度為600℃時，得到的廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量為95.21%，較550℃碳化溫度碳含量略微增加（圖4b，表1）。當碳化溫度增加到650℃時，得到的廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量進一步增加到96.34%（圖4b，表1）。當碳化溫度進一步增加到700℃和800℃時，得到廢棄ECFRP基回收碳材料碳元素含量分別為96.95%和98.39% （圖4b，表1）。相比較于碳化溫度500℃，碳元素含量有較多的增加。這主要是因為碳化過程中，隨著碳化溫度的增加有更多的非碳元素被流動的氮氣帶走，使得碳化后碳材料碳元素含量提高。理論上來說，更高的碳元素含量意味著更高的吸光效率和更好地光熱轉換水蒸發效率。但光熱轉換水蒸發效率是受許多因素影響的，如材料吸光率、材料保溫性能、材料吸水的能力和蒸汽傳輸的能力等[15]。因此，不同溫度下得到的廢棄ECFRP基回收碳材料光熱轉換水蒸發性能還要由具體的蒸發實驗結果決定。

2.4 不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料水蒸發實驗

為了探究光熱轉換水蒸發過程中，碳化后碳材料表面溫度變化，進行了初始和光照1h后紅外熱成像表征。如圖5a所示，對于純水來說，剛開始水的表面溫度為27℃，光照1h后，水表面溫度為34.8℃，溫度上升了7.8℃。表明不加光熱材料的情況下，水的表面溫度也會上升，但上升有限，水吸收的能量不足以促使水分大量蒸發。當將碳化溫度500℃下得到的碳材料放到水面上時，材料表面初始溫度為34.7℃。當光照1h后，材料表面溫度上升到44.2℃，光照1h后材料表面溫度上升了9.5℃（圖5b）。相較于純水來說溫度上升不高。實際上，這是因為材料吸收太陽光的能量轉化為熱能，同時將熱能轉化為水蒸發能量。因而，加入碳材料后溫度上升不高可以從側面說明吸收后的太陽光能量主要用于水蒸發。當將碳化溫度550℃下得到的碳材料放到水面上時，材料表面初始溫度為28.2℃。光照1h后，材料表面溫度上升到36.2℃，1h光照后材料表面溫度上升了8℃（圖5c）。顯示出相較于500℃碳化溫度，550℃碳化條件下有更多的熱能用于水蒸發，也顯示出550℃碳化條件下材料的水蒸發效率將有可能更高。此外，600℃碳化溫度下得到碳材料經過1小時光照后，碳材料表面溫度變化為9℃（圖5d）。650℃碳化溫度下得到碳材料經過1小時光照后，碳材料表面溫度變化為9.5℃（圖5e）。700℃碳化溫度下得到碳材料經過1小時光照后，碳材料表面溫度變化為9.4℃（圖5f）。800℃碳化溫度下得到碳材料經過1小時光照后，碳材料表面溫度變化為8.6℃。由以上數據可知，不同碳化溫度下，經過1小時光照后，廢棄ECFRP基回收碳材料表面溫度不同。但綜合來看，550℃碳化條件下材料表面溫度變化最小。但不同溫度下得到的廢棄ECFRP基回收碳材料1小時后材料表面溫度相差不大，具體水蒸發效率還要根據具體的蒸發實驗結果綜合判斷。

為了進一步驗證不同溫度下得到的廢棄ECFRP基回收碳材料水蒸發效率，進行了純水的蒸發實驗。實驗過程中，設定電腦10 S記一個數，這樣1 h后便得到質量損失曲線（圖6），并且可以計算出材料光熱轉換水蒸發速率（表2）。如圖6a所示，對于碳化溫度500℃得到的碳材料，1 h蒸發后水的質量損失為3.06 g。而550℃碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料1 h蒸發后水的質量損失為4.82 g（圖6a）。顯示出550℃碳化溫度下碳材料具備更好的光熱轉換水蒸發效率。通過進一步計算可知，500℃碳化溫度下碳材料水蒸發速率為1.14 kg·m-2·h-1（表2），而550℃碳化溫度下碳材料水蒸發速率為1.71 kg·m-2·h-1（表2），證明了550℃碳化溫度下碳材料具備更好地水蒸發效率。這是由于500℃碳化溫度下碳元素含量較少。而且，相較于500℃，550℃碳化溫度得到的碳材料呈單纖維狀態，更有利于水汽的傳輸。對于碳化溫度600℃得到的碳材料，水蒸發速率為1.68 kg·m-2·h-1（表2），與550℃碳化溫度碳材料相差不大。從形貌和元素分析可知，兩個碳化溫度條件下，材料形貌和元素含量差別不大，這可能是導致材料水蒸發效率相差不大的原因。當碳化溫度分別為650℃、700℃和800℃條件下，1h蒸發后水的質量損失分別為4.38 g、3.18 g和3.40 g（圖6b，圖6c），相應地水蒸發速率分別為1.55 kg·m-2·h-1、1.13 kg·m-2·h-1和1.20 kg·m-2·h-1（表2）。

三種碳化溫度下水蒸發效率低于碳化溫度550℃和600℃。這可能是由于雖然溫度升高碳元素含量升高，但是較高的碳化溫度使得纖維間粘連現象嚴重，阻礙了蒸汽的傳輸，進而使得水蒸發效率反而降低。因此，碳化溫度過高不利于廢棄ECFRP基回收碳材料光熱轉換性能。同時，相較于600℃，碳化溫度500℃更加節約能源消耗。因此，碳化溫度550℃為優化的碳化溫度，此碳化溫度條件下，一個太陽光條件下，水蒸發速率達到1.71 kg·m-2·h-1，顯示出較好的水蒸發效率和實際應用前景。

3 結論

在不同的碳化溫度下，本文成功制備了廢棄ECFRP基回收碳材料，并研究回收碳材料光熱轉換水蒸發性能。主要結論如下：

（1）形貌表征結果可知，碳化溫度較低時（500℃），回收碳材料表面有殘留的樹脂。碳化溫度較高時（高于650℃），碳纖維之間出現粘連現象，這對蒸發實驗中水蒸氣傳輸不利，進而降低水蒸發效率。

（2）由X-射線能譜儀表征可知，隨著碳化溫度升高，廢棄ECFRP基回收碳材料中碳元素含量逐漸增加。由500℃碳化溫度下的91.97%上升到800℃碳化溫度下的98.39%。

（3）紅外熱成像表征結果可知，不同碳化溫度下廢棄ECFRP基回收碳材料1h光照后表面溫度變化相差不大。

（4）由水蒸發實驗結果可知，高溫碳化下（溫度高于650℃）碳材料水蒸發效率并不是最好，這可能是由于較高的碳化溫度使得纖維間粘連現象嚴重，阻礙了蒸汽的傳輸，進而使得水蒸發效率反而降低。

（5）水蒸發實驗結果可知，550℃碳化溫度下碳材料水蒸發速率最高，達到1.71 kg·m-2·h-1，證明了廢棄ECFRP基回收碳材料較高的光熱轉換水蒸發效率和較好的應用前景。

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Construction of Waste Epoxy Resin Carbon Fiber Composite based Carbon Materialsand its Solar Water Evaporation Performance

HOU Guang-kai， LIU Xin-hua

（School of Textile and Garment， Anhui Polytechnic University， Wuhu Anhui 241000， China）

Abstract：In recent years， due to the wide application of epoxy resin-based carbon fiber reinforced composites （ECFRP） in aerospace， military defense， civil and other fields， ECFRP waste is increasing. Expanding the recycling methods and application fields of waste ECFRP is one of the effective ways to solve this problem. In this study， ECFRP-based carbon materials were obtained at different carbonization temperatures and applied in the field of photothermal conversion. The results of ultra-depth-of-field microscopy and SEM show that under the condition of carbonization temperature of 500℃， there is more resin remaining on the surface of carbon fiber; while under the conditions of 550℃ and 600℃， the carbon fiber is in a dispersed state. When the temperature exceeds 650℃， the carbon fibers stick together tightly. It can be seen from the results of X-ray energy spectrometer that with the increase of carbonization temperature， the carbon content of carbon materials increases from 91.97% at 500℃ to 98.39% at 800℃. Under one sunlight condition， the pure water evaporation efficiency of ECFRP-based carbon materials increases first and then decreases， which may be due to the adhesion between carbon fibers under high temperature carbonization hindering the transfer and volatilization of the steam. When the carbonization temperature is 550℃， the evaporation efficiency is the highest， up to 1.71 kg·m-2·h-1， which shows excellent evaporation efficiency. This study provides a reference for the recycling of waste ECFRP and its application in the fields of seawater desalination and sewage treatment.

Keywords：composite material; recycling; photothermal conversion; seawater desalination; sewage treatment

（責任編輯：周莉）

通訊簡介：劉新華（1964-），男，教授，研究方向：光熱材料構建及水處理應用.

基金項目：安徽省重點研究與開發計劃項目（202004a06020023）.