Zuse Community:將碳纖維回收創(chuàng)新引入市場

碳纖維幾乎全部由碳元素組成，它是在1 300 ℃下從聚丙烯腈聚合物中經(jīng)高能耗的工藝獲得的。碳纖維的密度很低，但同時具有防斷裂性和穩(wěn)定性。這些優(yōu)良性能對于電動汽車的蓄電池箱或車身的結(jié)構(gòu)部件而言是很必要的。德國Chemnitz紡織研究所(STFI)目前正與其伙伴合作，將碳纖維的靜態(tài)力學(xué)強(qiáng)度與減振性能結(jié)合，以改善電動汽車電機(jī)的外殼。本項目由聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部資助研發(fā)，擬開發(fā)混合非織造布，該非織造布除含有碳纖維外，還含有其他纖維材料作為增強(qiáng)材料。圖1所示為STFI紡織輕量化工程中心的碳纖維回收機(jī)械。

圖1 STFI紡織輕量化工程中心的碳纖維回收機(jī)械(來源：Dirk Hanus)

STFI將完善現(xiàn)有的非織造布解決方案。該研究所回顧了15年來在再生碳纖維方面的研究。德國增強(qiáng)塑料聯(lián)合會(AKV)的市場回顧表明，過去10年中，全球?qū)Ω哔|(zhì)量纖維的年需求量幾乎翻了兩番，達(dá)到約14.2萬t。日益增長的碳纖維需求也使其回收技術(shù)成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。廢棄碳纖維的價格約為原纖維價格的10%～20%，但碳纖維的回收需經(jīng)過特殊處理。競爭性應(yīng)用是再生碳纖維研究成功的關(guān)鍵。STFI發(fā)現(xiàn)這些應(yīng)用不僅適用于汽車，也適用于體育休閑以及醫(yī)療技術(shù)，如斷層掃描計算機(jī)組件。在斷層掃描過程中，金屬或玻璃纖維會在圖像上投下陰影，而碳纖維并不妨礙圖像的呈現(xiàn)，因此可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

1 借鑒造紙技術(shù)

如果回收的碳纖維可以重新進(jìn)入產(chǎn)品循環(huán)，二氧化碳平衡將得到改善，但碳纖維短纖的回收再利用價值較小。在此背景下，德國工業(yè)研究聯(lián)合會成員Cetex公司及德國造紙研究所(PTS)，曾在一個項目研究過程中開發(fā)出一種新工藝。該工藝可生產(chǎn)再生碳纖維，不過到目前為止這種再生碳纖維并不適合重新利用。由于再生碳纖維較脆，采用傳統(tǒng)的干法紡織加工方法，可加工纖維的長度至少需要達(dá)80 mm。而STFI則借鑒了造紙工業(yè)的濕法處理工藝。簡言之，在濕法工藝處理后，可得到由回收碳纖維和塑料纖維制成的平墊。該工藝還可加工40 mm長的回收碳纖維短纖，生產(chǎn)有價值的中間產(chǎn)品。

碳纖維墊的制備采用了熱壓法，并可作為高彈性結(jié)構(gòu)部件的基本材料。另外，將其與連續(xù)纖維增強(qiáng)帶相結(jié)合，能提高半成品的力學(xué)性能。再生的碳纖維產(chǎn)品性能可與玻璃纖維增強(qiáng)塑料相比擬，在鐵路和車輛建設(shè)中加以應(yīng)用。目前，研究成果正被納入RessourceTex合作網(wǎng)的進(jìn)一步研究和開發(fā)中，該網(wǎng)絡(luò)是一個由來自工業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域的18個合作伙伴共同資助的協(xié)會。

2 應(yīng)用于汽車工業(yè)

德國Thuingian紡織和塑料研究所(TITK)開發(fā)出了可供工業(yè)使用的碳纖維廢料應(yīng)用解決方案。其中一些開發(fā)項目已在德國SGL復(fù)合材料進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。干廢料(主要是邊角料)的處理是根據(jù)內(nèi)部開發(fā)的工藝進(jìn)行的，開松纖維可用于不同生產(chǎn)工藝的非織造布加工。例如，除了將非織造布應(yīng)用于寶馬i3系列車頂或后座殼，TITK還建立了特殊的非織造布和片狀模塑料(SMC)生產(chǎn)工藝。SMC是由熱固樹脂和增強(qiáng)纖維組成的熱固型復(fù)合材料，用于壓制纖維塑料復(fù)合材料，這種復(fù)合材料被集成用于制作寶馬7系汽車的C柱的一部分。TITK特別強(qiáng)調(diào)開發(fā)更有效的工藝和組合程序，以使碳纖維回收材料在輕量化應(yīng)用中有更好的機(jī)會，同時也考慮成本因素。因此，目前的重點(diǎn)是在熱塑性塑料板材和型材擠出工藝中使用碳纖維回收纖維。其目的是在一個有效的工藝步驟中實(shí)現(xiàn)短纖維和連續(xù)纖維相結(jié)合共同增強(qiáng)復(fù)合材料。