碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回收利用形勢(shì)

劉 潔 劉麗芳 俞建勇

(東華大學(xué)a.紡織學(xué)院;b.現(xiàn)代紡織研究院，上海，200051)

碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回收利用形勢(shì)

劉 潔a劉麗芳a俞建勇b

(東華大學(xué)a.紡織學(xué)院;b.現(xiàn)代紡織研究院，上海，200051)

隨著碳纖維需求量的逐年大幅度增長(zhǎng)，關(guān)于碳纖維的回收利用已經(jīng)成為全世界共同關(guān)注的科技問(wèn)題?？偨Y(jié)了現(xiàn)有的碳纖維回收方法，對(duì)超臨界水溶劑分解法進(jìn)行分析，并提出再生碳纖維的利用方向。

碳纖維，廢棄物，回收方法，超臨界水溶劑分解

碳纖維作為一種輕質(zhì)高強(qiáng)的高性能材料而被廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、建筑、鐵路、通訊、醫(yī)藥器材等行業(yè)［1］。隨著新型飛機(jī)和汽車的大量投產(chǎn)及日常生活中“低碳”觀念的普及，碳纖維的需求量正在逐年大幅度增加。2007年12月發(fā)表的市場(chǎng)研究指出，世界碳纖維需求量在2006—2014年間將成倍增長(zhǎng)［2］。隨著潛在需求的增加，在不久的將來(lái)，航空航天用碳纖維的需求量預(yù)計(jì)將每年增加10% ～17%［3］。表1為全球碳纖維需求量預(yù)計(jì)表［4］。

表1 全球碳纖維需求量預(yù)計(jì)表 (單位:t)

盡管碳纖維有眾多的優(yōu)點(diǎn)，但是仍有一個(gè)不可回避的問(wèn)題——碳纖維不可降解。隨著其應(yīng)用量的增加，隨之而來(lái)的污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。在歐洲，每年有將近1 100 t的碳纖維復(fù)合材料廢棄物等待處理。波音公司指出，未來(lái)20年退役飛機(jī)的數(shù)量將接近6 000架［5］，而退役飛機(jī)是碳纖維復(fù)合材料廢料的一個(gè)重要來(lái)源。因此，碳纖維的回收利用是一個(gè)極具吸引力的市場(chǎng)，它不僅以經(jīng)濟(jì)影響為向?qū)?，同樣由于其?duì)環(huán)境的正面影響而受到各國(guó)政府的關(guān)注。2010年 Karen Wood［6］在《高性能復(fù)合材料》雜志上發(fā)表的文章指出，碳纖維回收利用的成本低于使用新碳纖維的生產(chǎn)成本。這為碳纖維廢棄物的回用研究提供了極大的動(dòng)力。

1 碳纖維復(fù)合材料廢棄物回用現(xiàn)狀

目前，針對(duì)碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回用問(wèn)題，各工業(yè)大國(guó)都有自己的科研體系，目的是創(chuàng)建最高效和最經(jīng)濟(jì)可行的碳纖維回用體系。到目前為止，關(guān)于碳纖維回用的研究主要包括粉碎碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)，高溫分解碳纖維復(fù)合材料，催化分解或在真空環(huán)境下分解碳纖維復(fù)合材料，流化床處理碳纖維復(fù)合材料等。根據(jù)不同的回用方法，本文對(duì)現(xiàn)有參與研究碳纖維復(fù)合材料回收利用的公司進(jìn)行了細(xì)致的分類，如表2所示。

在表2所列的方法中，有一些已經(jīng)投入生產(chǎn)使用，但是大部分的研究還停留在試驗(yàn)階段。主要存在如下問(wèn)題:

表2 碳纖維廢棄物回用方法

(1)可回用碳纖維復(fù)合材料的來(lái)源主要集中在生產(chǎn)廢料(包括邊角料、廢棄的零部件和失效的預(yù)浸漬件)、損壞和淘汰的復(fù)合材料零部件等，如何快速有效地將不同種類的碳纖維復(fù)合材料廢料進(jìn)行分類和回收，是首先要考慮的問(wèn)題。

(2)從碳纖維回用現(xiàn)狀來(lái)看，主要是應(yīng)用熱加工來(lái)融化樹(shù)脂，以制取碳纖維絲束。但是，這種方法很容易導(dǎo)致再加工的產(chǎn)品性能大大降低。大部分回收的材料，其性能和價(jià)格在市場(chǎng)上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，這使得生產(chǎn)商更傾向于選擇未使用過(guò)的原材料。

(3)有些回收方法雖然可以成功地將碳纖維從復(fù)合材料中分離出來(lái)，但是會(huì)導(dǎo)致碳纖維長(zhǎng)度變短，纖維性能降低［7］，而且這一過(guò)程產(chǎn)生的附加廢料同樣會(huì)造成環(huán)境污染。

正因?yàn)槿绱?，雖然世界上最大的兩家飛機(jī)生產(chǎn)商波音公司［8］和空客公司已經(jīng)開(kāi)始帶頭致力于各種碳纖維廢料的回用方法研究，但是到目前為止，還沒(méi)有一套世界公認(rèn)的完整的碳纖維回收體系，這也是我們所面臨的最大挑戰(zhàn)。

2 最新研究介紹

如何去除碳纖維復(fù)合材料中的基體相，有效回收碳纖維增強(qiáng)體?英國(guó)諾丁漢大學(xué)［7］和法國(guó)ICMCB化學(xué)研究所［9］經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了超臨界水溶劑分解法，由于其具有廣泛的適用性和回收產(chǎn)品的高性能品質(zhì)而為碳纖維回收領(lǐng)域引領(lǐng)了一個(gè)新的方向。該方法的有效性已經(jīng)被證實(shí)，目前正在為其產(chǎn)業(yè)化做進(jìn)一步的研究。

超臨界水溶劑分解法的基本原理是，采用特制的高溫高壓反應(yīng)器，當(dāng)復(fù)合材料和水進(jìn)入該系統(tǒng)后，其中的水將變?yōu)槌R界水;在超臨界水的作用下，復(fù)合材料中的基體部分(主要是環(huán)氧樹(shù)脂)被氧化形式氣態(tài)產(chǎn)品，如氫氣、甲烷、二氧化碳等，碳纖維因而被提取出來(lái)。此過(guò)程所獲得的產(chǎn)品有氣態(tài)的能量、水和固體(碳纖維織物)。利用這項(xiàng)技術(shù)可以減少?gòu)U物污染，保護(hù)環(huán)境，同時(shí)回收的碳纖維具有較高的強(qiáng)度和剛度。

3 碳纖維廢棄物回用展望

對(duì)于回用的碳纖維，目前常用的方法是制成短切纖維再利用，但是在性能上沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，使用的領(lǐng)域也有局限性。因此，后續(xù)研究工作除了要繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)碳纖維提取的研究外，還應(yīng)該根據(jù)市場(chǎng)需求，考慮將回用碳纖維重新紡成連續(xù)的碳纖維紗［10］，或者直接做成其他更有優(yōu)勢(shì)的碳纖維增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)，使其擁有更具競(jìng)爭(zhēng)力的性能優(yōu)勢(shì);同時(shí)進(jìn)一步擴(kuò)大回用碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域，提高回用碳纖維的使用比例。

［1］周傳雷，艾輝，閆永君.碳纖維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.化學(xué)工程師，2010(8):42-43.

［2］ALLEN B E.Characterization of reclaimed carbon fibers and their integration into new thermoset polymer matrices:Existing composite fabrication techniques［D］.2008.

［3］RED C.The outlook for CFRP in aerospace and defense applications［C］.Proceedings at the 38th SAMPE International Technical Conference.Dallas，TX，November 6-9，2006.

［4］ROBERTS A.Carbon fiber＆ precursor outlook，2008－2015［C］.Carbon Fiber 2007 Conference.Washington，D.C.，December 4-7，2007.

［5］SMOCK Doug.Recycled carbon fibers demonstrate excellent properties［N］.Design News，2010-04-02.

［6］WOOD Karen.Carbone fiber reclamation:going commercial［J］.High Performance Composites，2010(3):1-2.

［7］MARSH Geroge.Carbon recycling:a soluble problem［J］.Reinforced Plastics，2009(53):22-23，25-27.

［8］SMOCK Doug.Boeing develops technologies to recycle carbon fibers［N］.Design News，2010-06-21.

［9］AYMONIER Cyril.RECCO:une nouvelle filière pour le recyclage des composites à fibres de carbone(CFRC)［J］.Infos Polymeres，2009(67).

［10］WARRIOR Nicholas.Recycling carbon fibre.Collaborative Research and Development:Materials and Structures［D］.2010.

Situation of recycling carbon fiber composite

Liu Jiea，Liu Lifanga，Yu Jianyongb
(Donghua University a.College of Textiles; b.Textile Research Institute)

With the growing demand for carbon fiber，the recycling of carbon fiber has become the world’s scientific and technological issue of common concern.The existing carbon fiber recovery methods were summarized in this paper，and the“Supercritical Water Decomposition Method”was emphatically analyzed.Furthermore，the research direction for recycling carbon fiber was also proposed.

carbon fiber，waste，recycled method，Supercritical Water Decomposition

TS102.9

A

1004－7093(2011)06－0026－03

2010－11－18

劉潔，女，1984年生，碩士。研究方向?yàn)樘祭w維廢棄物的回收利用。