碳纤维复合材料回收再利用的现状分析

赵晓青

（山西工程职业学院，山西太原 030009）

碳纤维复合材料在应用过程中具有高强度、耐腐蚀、耐高温、重量轻、模量高等一系列优良的特点。在我国的工业生产中，碳纤维复合材料普遍应用于航空航天器材、体育竞技产品、汽车产业、桥梁建筑产业等相关领域。截止到2019年12月底，全球碳纤维产量约为17 600kt，我国碳纤维产量约为760kt。相关数据资料显示，2020年我国国内碳纤维需求量将上涨至1 200kt，未来随着我国大飞机项目、海上风力发电项目、高铁项目、新能源汽车等项目的发展，我国必然会进一步加大对碳纤维的需求。但是碳纤维材料通常在航空航天领域的应用寿命为25～28a；在风力发电领域的应用寿命为18～24a；在新能源汽车中的应用领域为8～15a 等，当这些领域中碳纤维材料达到理论使用寿命后，就需要对碳纤维材料进行回收再利用。

目前我国市场中的碳纤维复合材料主要是以热固性树脂基复合材料为主，市场占有量达92%以上，这种热固性树脂基碳纤维复合材料不会在自然条件下自由降解，因此如果对碳纤维复合材料没有进行妥善的回收再利用，便会影响到我国局部地区的生态环境，所以当前需要针对碳纤维复合材料的自身特性开发出连续化、低成本、低功耗、大规模的碳纤维复合材料回收再利用技术，同时还需要进一步开发可用于降解的生物基复合材料以及热塑性复合材料，这样便可以带动碳纤维复合材料产业朝着可持续化、低碳经济化发展。

1 碳纤维复合材料回收再利用的必要性分析

碳纤维复合材料一般是通过树脂基体固化后形成的，具有三维交联网状结构，这种结构在常规的使用条件下不溶于化学溶剂，而且也无法通过自然降解的方式进行处理，所以当碳纤维复合材料达到报废年限后，如果对该材料不能及时地进行回收处理，那么碳纤维复合材料在自然界中便会造成局部区域的环境污染，同时随着碳纤维复合材料使用量的增加，污染程度会越来越严重。国际环保组织在2015 年11 月便颁布相应的指令，明确提出需要对废弃车辆中的碳纤维复合材料进行回收，对于每一台报废车辆中95%的碳纤维复合材料都必须被再利用或回收。我国知名汽车品牌红旗计划在2020-2025年，将汽车制造过程中97%以上的碳纤维废弃物进行回收，并将其中的5%～8%用于航空航天器材。

碳纤维复合材料在生产过程中需要耗费大量的能源，因此我国市场中的碳纤维复合材料价格一直居高不下。对碳纤维复合材料进行回收，不仅可以减少生产碳纤维复合材料过程中所需要的能源消耗，同时由于报废后的碳纤维复合材料仍具有良好的力学性能和使用价值，因此可将其应用于工业生产中要求较低的部件，进而为企业带来一定的经济效益。除此之外，回收处理后的碳纤维复合材料与新碳纤维复合材料相比，回收处理的成本较低，可以使碳纤维复合材料以相对较低的价格推向市场，进而扩大碳纤维复合材料的应用领域。

2 碳纤维复合材料回收再利用的主要来源和应用现状

我国碳纤维复合材料废弃物的主要来源有以下两大类，第一类主要来源于工业生产及成型加工过程中产生的废弃物，例如工业生产中的预浸料不合格产品、工业生产中的过期料和边角料、新能源领域中的不合格部件、工业生产中的测试报废品等。

一些发达国家，例如新加坡、德国、日本、美国等，十分重视碳纤维复合材料的回收再利用技术开发，而且政府组织成立了专门研究碳纤维复合材料回收再利用的组织机构，例如英国的Mainland Capital 公司已与美国空客、波音等航空公司建立碳纤维复合材料合作关系，英国公司通过帮助美国航空公司处理碳纤维复合材料废料，解决美国碳纤维复合材料回收和可持续发展的问题。现阶段英国回收碳纤维公司已经拥有年处理3 000t 的能力，并且预计在每年都有30%的增长率。在我国，比亚迪集团与新能源公司也签署了一项合作协议，协议的主要内容是联合开发关于碳纤维回收技术，并共享碳纤维复合材料的生产及制造技术。是我国现阶段新能源汽车研究领域中的龙头企业，比亚迪预计在2021年所有车型都使用碳纤维制造乘客舱，因此对这家公司而言，碳纤维复合材料在产品使用结束后的回收过程尤为重要。

在科技研究领域，日本处理碳纤维复合材料废弃物的主要方式是采用物理回收法，通过将碳纤维复合材料废弃物进行粉碎，然后应用于工业的水泥原料或是填料的制作。有关调查研究显示，由碳纤维复合材料制作而成的水泥在凝胶时间、抗折强度等技术中明显优于普通水泥；北京玻璃钢研究设计院也通过开展“热固性碳纤维复合材料综合处理与再生技术研究”项目，建立了数条关于碳纤维复合材料废弃物物理回收示范生产线，由此可见碳纤维复合材料回收再利用水平已成为发展环境友好型国家的重要标志。

3 碳纤维复合材料回收再利用中的主要技术

3.1 通过流化床回收技术对碳纤维复合材料回收再利用

碳纤维复合材料可通过流化床回收技术进行回收再利用，在流化床反应器内使用空气作为流化气体，这样便可以在一定温度下将碳纤维复合材料中的纤维与基体分离。在实际的回收应用过程中，首先需要将大型的碳纤维复合材料进行切块处理，然后将小块的废弃碳纤维复合材料连续添加至流化床反应器内，使用空气作为反应过程中的流化气体，然后在反应器内部进行升温，当温度到达500～640℃时，碳纤维复合材料树脂基体就会发生氧化分解反应。当碳纤维与基体树脂分离后，便可通过加热后的气体将分解后的物质运输至碳纤维储存罐，通过该技术处理后的碳纤维复合材料性质较为稳定，且拉伸强度可以达到新碳纤维复合材料的75%以上，因此该技术成为当前我国科研领域的研究重点。

北京玻璃钢复合材料有限公司通过对流化床回收技术所处理的碳纤维复合材料进行研究，取得了阶段性的成就。东华大学在研究流化床回收碳纤维复合材料的过程中，通过对碳纤维复合材料表面的含氧官能团、拉伸强度、表面应张力等功能进行测试发现，流化床回收技术不仅可以完整地保留碳纤维复合材料内部的纤维材料，而且该技术在使用过程中对环境的影响因素较小、能耗较低。

3.2 通过热裂解回收技术对碳纤维复合材料回收再利用

在碳纤维复合材料的回收再利用过程中，可以通过热裂解回收技术对碳纤维复合材料进行回收再利用。热裂解回收技术是在一定的温度条件下，将碳纤维复合材料的基体树脂分解，实现将纤维材料和其他材料分别进行回收。对于热固性碳纤维复合材料的回收，基体树脂在发生反应后所分解的产物主要是苯酚，而该材料可以用于制造酚醛树脂或环氧树脂。通过热裂分解回收技术所回收的碳纤维复合材料强度高且化学性质较为稳定，但是如果在反应的过程中，所回收的碳纤维复合材料尺寸较大，那么便会导致回收过程中出现碳纤维质量不稳定且性能显著下降的问题。

热裂解回收技术在对碳纤维复合材料进行回收过程中，首先需要对碳纤维复合材料进行粉碎，然后将粉碎后的碳纤维复合材料碎片放置于热裂解化学反应器中，通过将温度升至400～500℃，反应器内部的基体树脂发生裂解反应，裂解所形成的炭物质存留于碳纤维上，这样在化学反应中积炭将碳纤维单丝连接成固体，然后中间产物进入氧化反应器再将积炭去除，进而形成全新的碳纤维单丝。王凤桂发明了一种热解法回收复合材料的装置，该装置主要由加热装置、反应釜、油气分离装置等组合而成，装置内部的反应温度在无氧条件下可以达到600℃，碳纤维复合材料在装置内部所产生的油气混合物，可经油气分离装置分离得到热解油和燃烧残渣。回收再利用过程中可以将燃烧残渣作为水泥原材料，将热解油作为工业燃料，但在实际应用热裂解回收技术过程中，反应中的催化物如果泄漏便很容易产生中毒反应，同时催化物的寿命也较短，且通过热解法获得的热解油品质较差。

3.3 通过溶剂解离回收技术对碳纤维复合材料回收再利用

在碳纤维复合材料的回收再利用过程中，可以通过溶剂解离法回收一部分溶剂，实现基体树脂纤维的分离及回收。此方法可分为超临界解离法和低温解离法，使用低温解离法的操作较为安全，但是反应时间较长。碳纤维复合材料多由一些环氧树脂、不饱和聚酯树脂复合材料组合而成，所以在对碳纤维复合材料使用溶剂解离回收技术过程中，可以先采用常压解离法对碳纤维复合材料进行回收再利用，这样在磷酸盐的催化作用下，碳纤维复合材料在常压状态200℃左右就可以溶解，碳纤维材料内部的树脂和纤维分离。虽然碳纤维复合材料的性能比全新的材料有所降低，但是仍可以满足工业的使用要求。

在对碳纤维复合材料使用溶剂解离技术的过程中，采用的溶剂主要有硫酸、硝酸等强腐蚀性材料，因此这些材料会造成一定的环境污染，且在反应过程中很难控制。目前宁波材料研究所研究出了一种全新的低温解离技术，这种碳纤维复合材料解离技术具有高分解和高回收的特性，可以有效地将碳纤维复合材料中的环氧树脂复合材料进行解离，并且在预处理过程中可以反复使用，进而减少了溶剂带来的环境污染。

4 结束语

现阶段国内外关于碳纤维复合材料的回收再利用技术，已经取得了较为突出的成就，但是当前在工业生产中所应用的碳纤维材料回收再利用大多都需要高压、高温、高腐蚀性的条件，同时这些回收再利用技术各自优缺点不同，还需要进行进一步的研究和改进，这样才可以保证碳纤维复合材料在工业大规模使用过程中的可靠性和稳定性。