碳纖維回收新篇章：100%碳纖維回收技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)？

所謂碳纖維復(fù)合材料廢棄物的回收再生或再利用主要是針對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）而言，因?yàn)楦鶕?jù)調(diào)查它已占碳纖維市場(chǎng)的90%以上，隨著CFRP在航空航天、大型風(fēng)電葉片、土木建筑、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用的迅速擴(kuò)大，其廢棄物的回收再利用技術(shù)的開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化已迫在眉睫。其中碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂（CFRTP）可通過(guò)制成切片再利用，而碳纖維增強(qiáng)熱固性樹(shù)脂的回收是有難度的。

近，喬治亞理工學(xué)院研究人員研究出了一種新的CFRP碳纖維回收工藝，這種工藝對(duì)于某些類型的CFRP幾乎可以實(shí)現(xiàn)100%回收。

100%回收碳纖維如何實(shí)現(xiàn)？

這種新的方法是通過(guò)將復(fù)合材料浸泡在乙醇溶劑中使環(huán)氧樹(shù)脂緩慢溶解，從而將碳纖維與環(huán)氧樹(shù)脂分離，實(shí)現(xiàn)新的應(yīng)用。

由喬治亞理工學(xué)院教授Jerry Qi表示，傳統(tǒng)碳纖維的再回收面臨著挑戰(zhàn)——CFRP的聚合物基體通常都是像橡膠一樣的交聯(lián)結(jié)構(gòu)，不能輕易溶解，因此很難除去聚合物以回收嵌在其中的更有價(jià)值的碳纖維。而由該研究團(tuán)隊(duì)研究的一種名為vitrimer的特殊的環(huán)氧樹(shù)脂含有在某些條件下可以替換結(jié)構(gòu)但不損壞交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)完整性的動(dòng)態(tài)鍵，通過(guò)使小分子化合物乙醇參與到網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的替代反應(yīng)中，能有效地溶解vitrimers。這種新的循環(huán)過(guò)程有望實(shí)現(xiàn)美國(guó)和歐洲每年產(chǎn)生的數(shù)千噸碳纖維廢料的回收再利用。同時(shí)，該方法還另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)，即工藝過(guò)程簡(jiǎn)單快捷。

產(chǎn)業(yè)化的碳纖維回收工藝還有哪些？

（1）東麗、東邦Tenax和三菱麗陽(yáng)公司

早在2006年日本通產(chǎn)省就通過(guò)其補(bǔ)助的“碳纖維再生技術(shù)的實(shí)證研究開(kāi)發(fā)”課題在福岡縣大牟田市內(nèi)建設(shè)了中試廠，自2009年起得到了福岡縣和大牟田市的資助，從而可作為日本碳纖維制造商協(xié)會(huì)（JCMA）的活動(dòng)內(nèi)容，并積極從事基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)。通過(guò)研究，取得了可控制所回收碳纖維長(zhǎng)度、并可除去金屬雜質(zhì)和樹(shù)脂殘?jiān)康偷脑偕祭w維技術(shù)，從而達(dá)到了碳纖維協(xié)會(huì)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，并于2013年底終止了協(xié)會(huì)活動(dòng)。為此由上述 3 家PAN-CF企業(yè)接力，設(shè)立了“碳纖維再生技術(shù)開(kāi)發(fā)組合”，以進(jìn)一步深化該回收技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

據(jù)日本日立化成公司2014年發(fā)布的一份報(bào)告指出， JCMA回收廠聯(lián)合東麗株式會(huì)社、日本帝人集團(tuán)和日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社，已擴(kuò)充了不需要預(yù)粉碎就可進(jìn)行熱解過(guò)程的RCF生產(chǎn)技術(shù)。在此之前，JCMA已經(jīng)擁有1000t/a的RCF生產(chǎn)能力，該新增的新工藝具有60t/a的回收能力，甚至可以回收連續(xù)纖維以及排列不連續(xù)RCF（例如取向排列與隨機(jī)排列）。

（2）日本碳纖維再生工業(yè)公司

日本碳纖維再生工業(yè)公司（CFRI）創(chuàng)立的熱解法由廢CFRP回收碳纖維的獨(dú)有技術(shù)，其特點(diǎn)是以廢料燃燒時(shí)所產(chǎn)生的熱分解氣作為碳纖維回收工程的熱源，從而可比以往的方法節(jié)約 6 成的能源，而所回收的碳纖維強(qiáng)度可達(dá)原生碳纖維的80%以上；再生過(guò)程是通過(guò)碳化爐和燒成爐兩段燒成而得，可原封不動(dòng)地回收長(zhǎng)纖維。該回收系統(tǒng)所回收的碳纖維產(chǎn)能約為60 t/a，目前該回收產(chǎn)品已應(yīng)用于汽車部件，可實(shí)現(xiàn)整車減重20%以上。

（3）德國(guó)寶馬和美國(guó)波音公司

2012年德國(guó)寶馬（BMW）汽車公司和美國(guó)波音飛機(jī)公司達(dá)成了共同研發(fā)碳纖維回收再生技術(shù)的協(xié)議，內(nèi)容包括制造技術(shù)秘密共享等，并致力于自動(dòng)化過(guò)程的研究。波音公司采用約50%CFRP的B-787飛機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，目前月產(chǎn)7架。而寶馬在i3和i8系列車型中也開(kāi)始使用廢棄循環(huán)利用的材料，為寶馬生產(chǎn)碳纖維汽車零部件的SGL汽車碳纖維公司已經(jīng)通過(guò)收集i系列汽車CFRP機(jī)織和針織預(yù)成型件廢料獲得RCF，回收的RCF制成絎縫非織造材料后用于生產(chǎn)i3和i8車頂和后座的CFRP。

（4）德國(guó)CFK Valley e.V.和Karl Meyer AG

德國(guó)CFK Valley e.V. 與Karl Meyer AG合作，于2007年就建立了名為CFK Valley Recycling的產(chǎn)業(yè)化RCF生產(chǎn)線，目前已經(jīng)具有1000t/a的回收碳纖維生產(chǎn)能力。2011年，德國(guó)金屬回收生產(chǎn)商ELG Haniel也通過(guò)收購(gòu)英國(guó)Recycled Carbon Fibre及其商業(yè)化的回收工廠，進(jìn)軍RCF市場(chǎng)。

CFK Valley Recycling的產(chǎn)業(yè)化RCF生產(chǎn)線（1分選；2熱解；3表面處理；4切割；5分銷）

另外，日本日立化成、日本精細(xì)陶瓷中心（JFCC）與大同大學(xué)、德國(guó)RWTH Aachen大學(xué)紡織技術(shù)研究所、西門子中央研究院、德國(guó)薩克森紡織研究所（STFI）等均已經(jīng)研究出可產(chǎn)業(yè)化的碳纖維回收技術(shù)，可以明確的是，目前CFRP的回收再利用已經(jīng)可以解決技術(shù)問(wèn)題，面臨的主要問(wèn)題還是產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)應(yīng)用。

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