攻克碳纤维回收的难题 碳纤维回收技术汇总

摘要

纤维复合材料因其优异性能在多个产业中广泛应用，但热固性复合材料的回收处理是一大难题。国家知识产权局针对碳纤维增强复合材料的回收工艺进行了研究，涉及溶剂法、化学分解法和超临界法等方法，各有优缺点。英国ELG碳纤维公司致力于推动再生材料使用，已开发出多种再生纤维产品，并看好大批量运输领域作为新兴市场。使用可回收碳纤维有助于减少碳排放，支持环保指令。

正文

基于行业发展需求，国家知识产权局专利分析普及推广项目碳纤维复合材料课题组选取了碳纤维增强环氧树脂基复合材料的三种主要回收工艺：溶剂法、化学分解法、超临界/亚超临界法进行了相关专利申请技术的研究分析。

溶剂法是在加热的条件下，利用溶剂的化学特性对聚合物解聚的方法。有些人认为只要是解聚的过程中使用了溶剂都可以归为溶剂法，例如将溶剂与酸或碱混合形成反应溶液，加热处理碳纤维增强复合材料的方法。图1是溶剂法的专利技术发展路线，显示溶剂法的发展历程就是选取适合溶解树脂的溶剂的过程，目前的选取范围仍为低分子醇类，从检索到的专利申请来看，单一的溶剂法回收碳纤维复合材料效果并不理想。

化学分解法，是指利用化学改性或分解的方法使废弃物成为可以再利用的其他物质，该方法回收利用热固性复合材料有较大难度，且费用比较高，但是回收利用的效果普遍认为比较好。化学分解法的技术发展路线图如图2所示：

超临界法是指流体的温度和压力分别超过其固有的临界温度和临界压力时所处的特殊状态。由于超临界法要求流体要处于超临界状态，因此装置内通常压力比较高，过高的压力使超临界法的使用比较困难，因此，各专利申请中通常也指出亚超临界（临界压力以下）法也适用于碳纤维复合材料的回收。

超临界法或亚超临界法回收工艺的关键在于流体的选取以及条件的控制，另外对使用设备的高要求也是该方法使用受限的主要因素。日本在该方法的研究方面一直处于领先地位。如果是CO2超临界处理，超临界法压力基本在5-15MPa范围内，优选8-12MPa，如果是超临界流体，处理温度和压力根据所用溶剂不同而有所区别，例如使用水为超临界流体时，374.3℃，22.1MPa；甲醇为超临界流体时，239℃，8.1MPa；乙醇为超临界流体时，243℃，6.14MPa。（国家知识产权局专利分析普及推广项目碳纤维复合材料课题组）

英国的ELG碳纤维公司是一家推动使用更多再生材料的公司。“近期市场预测表明碳纤维市场将继续保持中高档增长态势。”总经理Frazer Barnes表示：“这种增长的主要推动力之一是汽车行业的新应用。这是一个对成本非常敏感的市场，我们预计回收碳纤维的成本较低，加上供应链的安全性和环境效益，将使这些应用成为一个有吸引力的选择。”

处理碳废物

对于推动再生碳纤维进一步发展的主要趋势和影响，Frazer Barnes认为，持续的产品测试是展示性能的关键，也是开发设计和制造的指南，尤其是复合材料行业。

“在下游转换过程中处理回收碳纤维材料方面存在重大挑战，这一直是开发合适产品形式的主要障碍之一。实际上，我们已经有了一个非常强大的回收高品质纤维的方法，与原始碳纤维相比几乎没有劣化，但是，多年来的挑战是开发出将其重新投放市场的方法。”

碳纤维的回收首先需要金属的去除，并将大型复合材料结构切割成适合于下游加工的尺寸。此外，粉碎层压和预浸制可以有效且一致的处理。纤维的回收是经过改良的热解过程。碳纤维转化然后通过研磨、非织造毡生产和生产颗粒。

由100% 回收的短纤维碳纤维制成的Carbiso ™ M 非织造毡

成功回收碳纤维需要克服许多障碍。“主要的挑战是处理废物流的复杂性。” Barnes解释道。“即使是相对清洁的复合材料制造的废水，仍然含有不同的化学成分的树脂和不需要的材料，如纸张或塑料薄膜，而且回收过程必须经过优化，以确保在不损坏纤维的情况下彻底清除这些不需要的材料。第二个挑战是纤维的分类。复合材料行业的发展，已经能够从不同的制造商那里获得各种各样等级的碳纤维。虽然回收过程对纤维的性能影响很小，但在纤维恢复后保留原有纤维的指数是不可取的。ELG已经通过引入一个基于杨氏模量和恢复纤维的抗拉强度范围的通用分类系统来解决这个问题。”

适用于热塑性塑料应用的回收碳纤维颗粒

“碳纤维回收的最后一个挑战是如何实现商业化的发展。必须克服的主要障碍是所有新材料面临的问题——缺乏关于机械性能和加工特征的知识；缺乏大规模的示范应用；证明使用这些材料的经济、技术和环境理由。虽然有一些项目正在解决这些问题，但从供应链的制造业方推导出碳纤维废料问题的解决方案，可能与通过从供应链的设计方找到使用再生碳纤维产品的方法并不匹配。”

Frazer Barnes补充说，公司现在已经很好地理解了复合材料和复合材料中再生碳纤维材料的性能。他说，下一步是通过产品优化进一步提高性能，并了解再生碳纤维材料的长期性能。

ELG碳纤维目前已开发出五种来自再生纤维的产品。Carbiso™MF是磨碎的长度随机的短碳纤维热塑性和热固性的化合物,用于加法制造流程。研磨纤维赋予的主要优点是提高了刚度、导电性和导热系数，降低了热膨胀系数。Carbiso™CT切割丝束是一种精密切割的原始碳纤维产品，具有6 mm和12 mm的纤维长度，被认为是热塑性注射成型化合物、水泥、弹性体和涂料的良好增强纤维。切割的丝束比ELG的铣削纤维具有更高的结构和导电性能。小尺寸的纤维与大多数热固性和热塑性基质相容。

由再生碳纤维和热塑性纤维的混合物制成的Carbiso™TM 非织造毡

在2017年，该公司推出了CT +。与标准切碎的两种CT产品相比，这个新的plus版本的特点在于改进的流动性，在塑料配料的重量给料系统中的“容易添加”。Carbiso™MB碳纤维母粒产品将在2017年完全商业化。这些颗粒化的产品是用切碎的纤维制成的，可以在复合行业短纤维产品中使用。这些较小的颗粒使它们易于注射，在处理时含有较少的灰尘，而且与工作更一致。

Carbiso™M非织造毡由100%回收碳纤维制成，可通过常规复合技术加工制造结构件和半结构件。Carbiso™TM混合非织造布将碳纤维与PP和PA等热塑性纤维相结合。该公司表示，Carbiso™M和Carbiso™TM各向同性垫易于处理，悬垂性好，并与大多数热固性和热塑性聚合物相容，且能提供良好的机械性能。它们的标准尺寸为100-600 gsm，宽度可达2.7米。为客户提供完全的灵活性和完全定制的解决方案，非织造毡也可以生产定制规格。

ELG碳纤维将大批量运输领域的应用视为最能从公司产品和服务中获益的关键新兴市场。Frazer Barnes总结说：“如果未来的车辆是由更多的可回收碳纤维制造的，这些轻型结构将会更具有成本效益，进而减少二氧化碳的排放，符合燃油经济性的规定，同时也支持欧盟(EU)对最终车辆(ELV)的指令。”

来源：荣格塑料工业