是时候进行碳纤维的回收了

摘要

碳纤维因其优越性能在航空、体育器材等领域广泛应用，全球生产量逐年增长。然而，高废料率成为碳纤维生产的瓶颈，回收利用技术逐渐受到重视。目前已有公司和研究机构开发出机械回收和热力学回收等方法，但仍存在性能了解有限的问题。全球范围内，德国ELG Haniel等公司正在通过热解工艺处理废料并生产再生碳纤维，宝马公司也使用了回收再利用的碳纤维。中国团队开发的新型裂解回收技术年处理能力超过200吨，提高了再利用价值。碳纤维回收方案的发展有助于降低成本、促进可持续发展，推动碳纤维材料产业增长。

正文

碳纤维具有质量轻，强度模量大，耐腐蚀等特点，在航空、体育器材等领域得到了广泛应用。在过去15年中，碳纤维行业发生了很大变化。 2000年，全球碳纤维生产量不到2万吨。现在，每年生产量超过6万吨。预测表明，其将在2020年初增加到每年10到14万吨之间。

据估计，碳纤维生产过程中有超过30%的浪费，有远高于其他行业的废料比。由于其迅猛的增长，我们在不断提高生产量的同时，也应该开始将重点放在碳纤维回收行业。

图1，碳纤维闭合循环（图片源于MIT-RCF） 

碳纤维的回收研究始于21世纪初期。目前已经有一些公司开发出高成本效益的方法(如ELG碳纤维公司等)，能在制造的过程和报废的部件回收碳纤维，且不会明显降低碳纤维的性能。 

表1，回收再利用的碳纤维增强热塑性复合材料的性能（数据来源：Albis 英国）

目前成熟的方法有机械回收和热力学回收（如图2所示）。机械回收就是通过物理原理，依靠外力粉碎或者粘膜碳纤维废料，得到尺寸形状不用的碳纤维。按照其不同形状分类，分别注入新的树脂，得到不用的碳纤维复合材料。此方法中由于外力的作用，会在一定程度上对碳纤维造成破坏，因此该方法逐渐被热力学方法替代。热力学方法中由于其不同的受热原理主要分为三种。氧化方法是最开始使用的方式，对原材料要求较少，但对纤维伤害较大；化学方法工艺简单，有利于商业化，并且由于碳纤维的耐腐蚀特性，对性能的影响较小；此外，热解法需要在高温下进行，虽已投入使用，但其对碳纤维的力学影响比较大。此外还有一些新型方法，如溶剂分解发，微波热分解法（利用微波加热树脂，以使其与碳纤维分解）等。

图2，碳纤维回收方法（来源于 Elsevier公司回收手册）

但目前回收的碳纤维，重新制得的成品，返回市场存在一定的障碍。今天，再循环产品以混合物（通过研磨和切断得到的粉末/颗粒）和复合材料铺层（非织造垫如干织物以及预浸料和SMC材料）结合的形式存在。如图3，目前，这种产品的性能（力学、加工性能等）了解非常有限。因此，发展收到了一定的限制。

图3，在循环产品（经回收得到的）碳纤维再生材料

2011年，德国金属回收商ELG Haniel（德国杜伊斯堡）收购了回收碳纤维有限公司（Coseley，U.K .;以前的Milled Carbon集团）及其商业回收厂（2009年投产），将其命名为ELG碳纤维。利用碳纤维在航空航天中产生的废料,该公司可以获得更高的价值。其通过热解工艺每年可以处理2000公吨废物，并生产1000公吨再生碳纤维。除此之外，日本日立化成、日本精细陶瓷中心（JFCC）与大同大学、德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所、西门子中央研究院、德国萨克森纺织研究所（STFI）等也先后在可产业化的碳纤维回收技术中取得相应的进展。

目前，最成功的回收再利用的案例是宝马（德国慕尼黑）在其i3和7系列车型中后排座椅结构的使用（图4）。这得益于宝马和SGL集团（德国威斯巴登）对于碳纤维工艺的制造和废料处理形成了集成供应链。SGL汽车碳纤维（SGL ACF，Wackersdorf，Germany）收集来自车辆的CFRP，生产编织和预成型坯料碎屑，并将其切割成碎片，然后加工以成纤维，随后机械梳理，根据最终部件的使用位置，以不同角度将纤维层叠，并缝合以形成非织造纺织品。此过程不仅减少了组装步骤和零件重量，而且还能够满足碰撞要求，壁厚仅为1.4mm / 0.6-英寸。

如果能推动这种供应链规范化，那么就可以推动碳纤维的再生。这种方法在经济角度来看可以降低成本；从环境角度看，可以减少浪费降低能源消耗。最重要的是，再生碳纤维可以满足未来对碳纤维急剧增长的需求，减少供应与需求之间的差距。

图4，宝马中再生碳纤维的使用

在中国，为响应节能减排，环保高效的号召，上海市发改委“上海交通大学大型民机创新工程”资助了上海交通大学化学化工学院王新灵教授研究团队。其中，杨斌副教授于2010年前就开始进行规模化碳纤维复合材料废弃物回收技术项目的攻克。经过5年的研究，针对裂解法固有的缺陷，创新性地提出了完善的解决方案，同时解决了其在工程上大范围使用的实际问题。这个项目的成功，意味着国内拥有了一条完全自主知识产权的、规模化的、新型裂解回收技术和装备，碳纤维复合材料废弃物的年处理能力超过200吨。除此之外，目前全球仅德国（ELG Carbon Fibre Ltd）、日本(碳纤维回收工業公司)和美国（MIT-RCF Ltd）的三家公司拥有回收处理碳纤维复合材料废弃物的产业化技术。与国际先进技术相比，上海交通大学的回收技术具有废弃物处理前可保留大尺寸的特点，这样既免除了废弃物切割、粉碎的工序，更重要的是保持了再生碳纤维的足够长度、提高了碳纤维再利用的价值。

总而言之，全球许多公司已经开发出了成本效益高的碳纤维回收方案，以及现在可以用于复合材料工业的一些列初始产品。这将是未来碳纤维市场的重要组成部分，其不仅可以降低企业成本、增强可持续发展动力，还帮助了整个碳纤维材料产业的发展壮大。

来源：compositesworld、新华网等公开资料新材料在线整理