回收·碳纤维复合材料废弃物的处理

本文摘要：（由ai生成）

碳纤维具有高导热、导电、耐高温等特性，是先进结构与功能材料。其废弃物回收价值高，可缓解环境污染与资源短缺。碳纤维废弃物处理以机械再循环和能量回收为主，避免掩埋和直接焚烧的低效污染方法。回收再利用碳纤维废弃物符合可持续发展和低碳循环经济理念。

概 述: 碳纤维（Carbon Fiber,CF）是一种由碳元素组成的黑色特种无机高分子纤维，其分子结构界于石墨与金刚石之间，含碳量≥90%。它具有一般碳素材料导热、导电、耐高温、耐摩擦、耐腐蚀等特性，同时，还具有极好的纤度、良好的织物编织性、显著的各向异性、极高的轴向强度和模量等。其主要用途是增强树脂、金属、陶瓷、水泥等基体材料后制成先进结构材料、功能材料，被广泛用于各行各业。因此，碳纤维及其复合材料的出现，是继木材、金属之后，世界材料史上的又一次革命，近来更被称为“21世纪的黑色革命者”。

      正如任何事物均有其两面性一样，碳纤维在具有上述其它增强材料不可比拟的自身优异特性同时，也具有其相应的局限性。其局限性主要体现在3方面：一是脆性大、耐冲击性较差、容易损伤，且应力-应变关系曲线近似直线，进而导致设计时其轴向强度浪费较大。二是在强酸作用下易发生氧化，与金属复合时将发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀等。三是生产技术难度大、能耗高、污染严重，相关体现为生产过于集中、价格高（为E-玻纤的20～200倍）、易形成垄断。

      碳纤维复合材料制品多用于强度、刚度均有较高要求的结构场合或特殊场合，其使用寿命有严格要求。据预测全球废弃碳纤维复合材料制品至2010年可达2万吨，其中含碳纤维1万吨以上，按平均价格700元/kg计算，约合人民币70亿元以上；自2007年起，随着全球每年约3万吨碳纤维投入使用，其后期废弃物商业价值将越来越高，对此欧美等国更通过颁布法令等措施予以促进其回收再利用。

      碳纤维、玻璃纤维生产时的能源消耗、废气排放与环境影响数据见表1。由表1可知，碳纤维生产能耗约为玻璃纤维的12倍，环境影响60倍多，可见回收再利用碳纤维复合材料废弃物有利于减轻环境污染。此外，构成碳纤维复合材料废弃物的碳纤维、基体树脂等主体材料，其制造原材料皆为不可再生资源，鉴于我国人均资源少、日益匮乏等严峻局面，更应加以充分循环再利用，这既与我国可持续发展国策相适应，又与2009年哥本哈根全球会议“利用科技，倡导低碳循环经济，以减轻碳排放”的主旨一脉相承。

   至今为止，复合材料废弃物处理可行方法有：掩埋、重复使用、机械材料再循环（又称物理粉碎法）、焚烧、材料再循环与能量回收法（又称物理化学法）、化学水解、水泥制造等7类。 

      由于碳纤维价格昂贵、综合性能好，多用于军民高端或特殊领域，其制品报废程序严格，故不重复使用或可能性不大；因其含碳量高达90％以上，且制造成本远高于常规纤维，如采用露天直接焚烧法或水泥制造等间接焚烧法予以处理，不但污染严重，而且十分不经济，即社会与经济效益均较差；而化学水解法多用于夹芯结构类复合材料废弃物回收处理。此外，前期废弃物处理常用的低成本直接掩埋法，在多年或永远不烂同时析出有毒物质，进而长期污染土壤和地下水系统，后期将为环境等相关法规所逐渐禁止。综上所述，碳纤维复合材料废弃物处理可行方法有：机械材料再循环法、材料再循环与能量回收法2种。但在后面对比分析时，仍将水泥制造等能量回收焚烧法列入讨论范围。

[1] 沈曾民、迟伟东、张学军、田艳红，高模量碳纤维的现状及发展⑴。高科技纤维与应用，2010 年 6 月，Vol.35 No.3：5-13。

[2] 田立娜。纤维增强聚合物基复合材料回收与再利用。硅谷，2010 年 3 月。 

[3] Anna Hedlund-Åström。Model for End of Life Treatment of Polymer Composite Materials（Doctoral thesis）。2005 年 10 月 21 日。 

[4] 数据来源于 EPS 2000 系统资料库。 

[5] 张建川、陆民宪，聚合物基复合材料废弃物几种处理方法概述。材料工程，2009 年增刊 2（10 月），P186～192。