首页/文章/ 详情

是时候进行碳纤维的回收了

7月前浏览746

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)

纤维

30%玻璃纤维

10%碳纤维

10%回收再利用的碳纤维

密度(gcm-3)

1.38

1.21

1.17

强度(MPa)

259

223

232

杨氏模量(GPa)

9

10.3

10.3

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


来源:碳纤维生产技术
复合材料碰撞化学航空航天汽车材料纺织
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-04-20
最近编辑:7月前
碳纤维生产技术
助力国内碳纤维行业发展
获赞 29粉丝 39文章 3760课程 0
点赞
收藏
未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习 福利任务 兑换礼品
下载APP
联系我们
帮助与反馈