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碳纖維復合材料回收技術進展

2018-03-05 09:51:30 作者：本網整理來源：復材應用技術分享至：

高性能纖維由于具有優于普通纖維的優異物理、化學性能，近年來在航空航天、汽車、環境工程等眾多領域應用和發展十分迅速。與此同時，高性能纖維強度高、模量高、耐腐蝕性能好等特性也決定了其制品廢棄處理和再利用難度更大。廢棄的高性能纖維制品如不能妥善處理或再利用，既是對環境的污染，亦是對資源的極大浪費。

尤其是對占碳纖維市場90%以上的碳纖維復合材料，其回收再利用技術研究和應用已經迫在眉睫。

碳纖維復合材料廢棄物主要為生產過程廢棄物以及經使用后報廢的廢棄物。據統計，僅在將碳纖維加工成最終制品的過程中就約有30%的纖維在各個工序中被浪費，這意味著目前每年在生產過程中廢棄的碳纖維高達2.4萬t。生產過程中產生的廢棄碳纖維通過切斷制成短纖維、非織造布等容易回收，而碳纖維復合材料廢棄后回收則難度大、成本高。

日本早在2006年就開始開發碳纖維再生技術，并成功開發出可控制回收碳纖維（RCF）長度，并可除去金屬雜質和樹脂殘渣量低的再生碳纖維技術。目前，發達國家已有具備工業化RCF生產能力的企業，包括日本碳纖維再生工業公司，東麗、東邦Tenax和三菱麗陽公司，德國CFK Valley Recycling、ELG Carbon Fiber公司，美國Carbon Conversions公司、MIT LLC公司，德國寶馬和美國波音公司等。

CFK Valley Recycling的產業化RCF生產線（1分選；2熱解；3表面處理；4切割；5分銷）此外，日本精細陶瓷中心（JFCC）與大同大學、信州大學、靜岡大學，德國西門子中央研究院、RWTH Aachen大學紡織技術研究所、薩克森紡織研究所（STFI）、Karl Mayer 公司，美國Adherent Technologies公司、華盛頓州立大學，上海交通大學、哈爾濱工業大學等均已致力于RCF生產技術的研究。

MIT LLC公司用RCF生產的汽車零部件

RCF制成絎縫非織造材料及用于寶馬i3和i8的CFRP

MIT LLC公司用RCF生產的汽車零部件RCF制成絎縫非織造材料及用于寶馬i3和i8的CFRP從回收方法來看，根據碳纖維復合材料廢棄物材料成份及特性，目前國內外碳纖維復合材料廢棄物的方法主要包括化學回收、能量回收和物理回收 3 種方式，其中，用于回收廢棄物中價值較高的碳纖維的方法主要為化學回收法?；瘜W回收法根據回收技術和設備又可分為流化床回收工藝、熱裂解回收工藝及超臨界流體回收工藝 3 種。熱裂解回收工藝是目前最主要的工業化RCF生產工藝，是在無氧情況下，通過高溫（400 ～ 500 ℃）將預處理后的復合材料中的樹脂分解、去除（碳纖維、填料等不產生化學反應），從而實現對碳纖維或其它材料的回收。樹脂分解后成分以苯酚為主，還可進行酚醛樹脂或環氧樹脂的制造。

ELG Carbon Fibre公司RCF產品由于熱裂解工藝通常需要進行預粉碎，因此通過該工藝得到的RCF通常為短纖維或進一步加工成的非織造材料，日本JCMA回收廠聯合東麗株式會社、日本帝人集團和日本三菱麗陽株式會社，研制出不需要預粉碎就可進行熱解過程的RCF生產技術，并實現工業化生產，具有60 t/a的回收能力。

除此之外，由于常用的熱裂解工藝在回收過程中難免對纖維造成損傷，因此如何以更低的性能損失實現更高價值的碳纖維回收還是該領域的一個主要難題。美國ATI公司通過低溫化學處理去除樹脂以及一些污染物，再經真空高溫分解剩余的樹脂，獲得了99%純度的纖維。西班牙巴利亞多利德大學和英國諾丁漢大學的研究表明，流體體系及堿性催化劑可促進樹脂的降解，提高反應速率，通過改變流體速率和堿性催化劑比例，實現了在15分鐘內降解95%以上樹脂的回收方法，且回收纖維強度可保持原纖維85% ~ 99%的強度。

隨著研究的深入和技術水平進步，一些回收技術聲稱RCF的機械性能已經可達到原生碳纖維水平。如從熱固性樹脂的固化出發，Connora Technologies公司開發了一種名為Recyclamine?的新型環氧樹脂系統，固化后的環氧樹脂具有可被酸分解的縮醛鍵，從而使得最終的聚合物三維網絡具有酸降解的性質，因此其碳纖維復合材料可在100 ℃的乙酸中分解，實現碳纖維的100%重復利用。酸溶液中和后溶解的聚合物可從溶液中沉淀出來，回收為具有熱塑性的聚合物。