碳纖維復合材料回收再利用的現(xiàn)狀分析

趙曉青

（山西工程職業(yè)學院，山西太原 030009）

碳纖維復合材料在應用過程中具有高強度、耐腐蝕、耐高溫、重量輕、模量高等一系列優(yōu)良的特點。在我國的工業(yè)生產(chǎn)中，碳纖維復合材料普遍應用于航空航天器材、體育競技產(chǎn)品、汽車產(chǎn)業(yè)、橋梁建筑產(chǎn)業(yè)等相關(guān)領(lǐng)域。截止到2019年12月底，全球碳纖維產(chǎn)量約為17 600kt，我國碳纖維產(chǎn)量約為760kt。相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，2020年我國國內(nèi)碳纖維需求量將上漲至1 200kt，未來隨著我國大飛機項目、海上風力發(fā)電項目、高鐵項目、新能源汽車等項目的發(fā)展，我國必然會進一步加大對碳纖維的需求。但是碳纖維材料通常在航空航天領(lǐng)域的應用壽命為25～28a；在風力發(fā)電領(lǐng)域的應用壽命為18～24a；在新能源汽車中的應用領(lǐng)域為8～15a 等，當這些領(lǐng)域中碳纖維材料達到理論使用壽命后，就需要對碳纖維材料進行回收再利用。

目前我國市場中的碳纖維復合材料主要是以熱固性樹脂基復合材料為主，市場占有量達92%以上，這種熱固性樹脂基碳纖維復合材料不會在自然條件下自由降解，因此如果對碳纖維復合材料沒有進行妥善的回收再利用，便會影響到我國局部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，所以當前需要針對碳纖維復合材料的自身特性開發(fā)出連續(xù)化、低成本、低功耗、大規(guī)模的碳纖維復合材料回收再利用技術(shù)，同時還需要進一步開發(fā)可用于降解的生物基復合材料以及熱塑性復合材料，這樣便可以帶動碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)朝著可持續(xù)化、低碳經(jīng)濟化發(fā)展。

1 碳纖維復合材料回收再利用的必要性分析

碳纖維復合材料一般是通過樹脂基體固化后形成的，具有三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在常規(guī)的使用條件下不溶于化學溶劑，而且也無法通過自然降解的方式進行處理，所以當碳纖維復合材料達到報廢年限后，如果對該材料不能及時地進行回收處理，那么碳纖維復合材料在自然界中便會造成局部區(qū)域的環(huán)境污染，同時隨著碳纖維復合材料使用量的增加，污染程度會越來越嚴重。國際環(huán)保組織在2015 年11 月便頒布相應的指令，明確提出需要對廢棄車輛中的碳纖維復合材料進行回收，對于每一臺報廢車輛中95%的碳纖維復合材料都必須被再利用或回收。我國知名汽車品牌紅旗計劃在2020-2025年，將汽車制造過程中97%以上的碳纖維廢棄物進行回收，并將其中的5%～8%用于航空航天器材。

碳纖維復合材料在生產(chǎn)過程中需要耗費大量的能源，因此我國市場中的碳纖維復合材料價格一直居高不下。對碳纖維復合材料進行回收，不僅可以減少生產(chǎn)碳纖維復合材料過程中所需要的能源消耗，同時由于報廢后的碳纖維復合材料仍具有良好的力學性能和使用價值，因此可將其應用于工業(yè)生產(chǎn)中要求較低的部件，進而為企業(yè)帶來一定的經(jīng)濟效益。除此之外，回收處理后的碳纖維復合材料與新碳纖維復合材料相比，回收處理的成本較低，可以使碳纖維復合材料以相對較低的價格推向市場，進而擴大碳纖維復合材料的應用領(lǐng)域。

2 碳纖維復合材料回收再利用的主要來源和應用現(xiàn)狀

我國碳纖維復合材料廢棄物的主要來源有以下兩大類，第一類主要來源于工業(yè)生產(chǎn)及成型加工過程中產(chǎn)生的廢棄物，例如工業(yè)生產(chǎn)中的預浸料不合格產(chǎn)品、工業(yè)生產(chǎn)中的過期料和邊角料、新能源領(lǐng)域中的不合格部件、工業(yè)生產(chǎn)中的測試報廢品等。

一些發(fā)達國家，例如新加坡、德國、日本、美國等，十分重視碳纖維復合材料的回收再利用技術(shù)開發(fā)，而且政府組織成立了專門研究碳纖維復合材料回收再利用的組織機構(gòu)，例如英國的Mainland Capital 公司已與美國空客、波音等航空公司建立碳纖維復合材料合作關(guān)系，英國公司通過幫助美國航空公司處理碳纖維復合材料廢料，解決美國碳纖維復合材料回收和可持續(xù)發(fā)展的問題。現(xiàn)階段英國回收碳纖維公司已經(jīng)擁有年處理3 000t 的能力，并且預計在每年都有30%的增長率。在我國，比亞迪集團與新能源公司也簽署了一項合作協(xié)議，協(xié)議的主要內(nèi)容是聯(lián)合開發(fā)關(guān)于碳纖維回收技術(shù)，并共享碳纖維復合材料的生產(chǎn)及制造技術(shù)。是我國現(xiàn)階段新能源汽車研究領(lǐng)域中的龍頭企業(yè)，比亞迪預計在2021年所有車型都使用碳纖維制造乘客艙，因此對這家公司而言，碳纖維復合材料在產(chǎn)品使用結(jié)束后的回收過程尤為重要。

在科技研究領(lǐng)域，日本處理碳纖維復合材料廢棄物的主要方式是采用物理回收法，通過將碳纖維復合材料廢棄物進行粉碎，然后應用于工業(yè)的水泥原料或是填料的制作。有關(guān)調(diào)查研究顯示，由碳纖維復合材料制作而成的水泥在凝膠時間、抗折強度等技術(shù)中明顯優(yōu)于普通水泥；北京玻璃鋼研究設計院也通過開展“熱固性碳纖維復合材料綜合處理與再生技術(shù)研究”項目，建立了數(shù)條關(guān)于碳纖維復合材料廢棄物物理回收示范生產(chǎn)線，由此可見碳纖維復合材料回收再利用水平已成為發(fā)展環(huán)境友好型國家的重要標志。

3 碳纖維復合材料回收再利用中的主要技術(shù)

3.1 通過流化床回收技術(shù)對碳纖維復合材料回收再利用

碳纖維復合材料可通過流化床回收技術(shù)進行回收再利用，在流化床反應器內(nèi)使用空氣作為流化氣體，這樣便可以在一定溫度下將碳纖維復合材料中的纖維與基體分離。在實際的回收應用過程中，首先需要將大型的碳纖維復合材料進行切塊處理，然后將小塊的廢棄碳纖維復合材料連續(xù)添加至流化床反應器內(nèi)，使用空氣作為反應過程中的流化氣體，然后在反應器內(nèi)部進行升溫，當溫度到達500～640℃時，碳纖維復合材料樹脂基體就會發(fā)生氧化分解反應。當碳纖維與基體樹脂分離后，便可通過加熱后的氣體將分解后的物質(zhì)運輸至碳纖維儲存罐，通過該技術(shù)處理后的碳纖維復合材料性質(zhì)較為穩(wěn)定，且拉伸強度可以達到新碳纖維復合材料的75%以上，因此該技術(shù)成為當前我國科研領(lǐng)域的研究重點。

北京玻璃鋼復合材料有限公司通過對流化床回收技術(shù)所處理的碳纖維復合材料進行研究，取得了階段性的成就。東華大學在研究流化床回收碳纖維復合材料的過程中，通過對碳纖維復合材料表面的含氧官能團、拉伸強度、表面應張力等功能進行測試發(fā)現(xiàn)，流化床回收技術(shù)不僅可以完整地保留碳纖維復合材料內(nèi)部的纖維材料，而且該技術(shù)在使用過程中對環(huán)境的影響因素較小、能耗較低。

3.2 通過熱裂解回收技術(shù)對碳纖維復合材料回收再利用

在碳纖維復合材料的回收再利用過程中，可以通過熱裂解回收技術(shù)對碳纖維復合材料進行回收再利用。熱裂解回收技術(shù)是在一定的溫度條件下，將碳纖維復合材料的基體樹脂分解，實現(xiàn)將纖維材料和其他材料分別進行回收。對于熱固性碳纖維復合材料的回收，基體樹脂在發(fā)生反應后所分解的產(chǎn)物主要是苯酚，而該材料可以用于制造酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂。通過熱裂分解回收技術(shù)所回收的碳纖維復合材料強度高且化學性質(zhì)較為穩(wěn)定，但是如果在反應的過程中，所回收的碳纖維復合材料尺寸較大，那么便會導致回收過程中出現(xiàn)碳纖維質(zhì)量不穩(wěn)定且性能顯著下降的問題。

熱裂解回收技術(shù)在對碳纖維復合材料進行回收過程中，首先需要對碳纖維復合材料進行粉碎，然后將粉碎后的碳纖維復合材料碎片放置于熱裂解化學反應器中，通過將溫度升至400～500℃，反應器內(nèi)部的基體樹脂發(fā)生裂解反應，裂解所形成的炭物質(zhì)存留于碳纖維上，這樣在化學反應中積炭將碳纖維單絲連接成固體，然后中間產(chǎn)物進入氧化反應器再將積炭去除，進而形成全新的碳纖維單絲。王鳳桂發(fā)明了一種熱解法回收復合材料的裝置，該裝置主要由加熱裝置、反應釜、油氣分離裝置等組合而成，裝置內(nèi)部的反應溫度在無氧條件下可以達到600℃，碳纖維復合材料在裝置內(nèi)部所產(chǎn)生的油氣混合物，可經(jīng)油氣分離裝置分離得到熱解油和燃燒殘渣?；厥赵倮眠^程中可以將燃燒殘渣作為水泥原材料，將熱解油作為工業(yè)燃料，但在實際應用熱裂解回收技術(shù)過程中，反應中的催化物如果泄漏便很容易產(chǎn)生中毒反應，同時催化物的壽命也較短，且通過熱解法獲得的熱解油品質(zhì)較差。

3.3 通過溶劑解離回收技術(shù)對碳纖維復合材料回收再利用

在碳纖維復合材料的回收再利用過程中，可以通過溶劑解離法回收一部分溶劑，實現(xiàn)基體樹脂纖維的分離及回收。此方法可分為超臨界解離法和低溫解離法，使用低溫解離法的操作較為安全，但是反應時間較長。碳纖維復合材料多由一些環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂復合材料組合而成，所以在對碳纖維復合材料使用溶劑解離回收技術(shù)過程中，可以先采用常壓解離法對碳纖維復合材料進行回收再利用，這樣在磷酸鹽的催化作用下，碳纖維復合材料在常壓狀態(tài)200℃左右就可以溶解，碳纖維材料內(nèi)部的樹脂和纖維分離。雖然碳纖維復合材料的性能比全新的材料有所降低，但是仍可以滿足工業(yè)的使用要求。

在對碳纖維復合材料使用溶劑解離技術(shù)的過程中，采用的溶劑主要有硫酸、硝酸等強腐蝕性材料，因此這些材料會造成一定的環(huán)境污染，且在反應過程中很難控制。目前寧波材料研究所研究出了一種全新的低溫解離技術(shù)，這種碳纖維復合材料解離技術(shù)具有高分解和高回收的特性，可以有效地將碳纖維復合材料中的環(huán)氧樹脂復合材料進行解離，并且在預處理過程中可以反復使用，進而減少了溶劑帶來的環(huán)境污染。

4 結(jié)束語

現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于碳纖維復合材料的回收再利用技術(shù)，已經(jīng)取得了較為突出的成就，但是當前在工業(yè)生產(chǎn)中所應用的碳纖維材料回收再利用大多都需要高壓、高溫、高腐蝕性的條件，同時這些回收再利用技術(shù)各自優(yōu)缺點不同，還需要進行進一步的研究和改進，這樣才可以保證碳纖維復合材料在工業(yè)大規(guī)模使用過程中的可靠性和穩(wěn)定性。