碳纤维及复合材料回收现状及其研究

李晓林 黄海超 李杨 王宝铭 郭庆山（威海拓展纤维有限公司，山东 威海 264200）

文章介绍了当前碳纤维复合材料（CFRP）回收再利用的主要方法。在回收方法当中应用最广泛的是化学方法，其中包括热解法、超临界流体法、氧化流化床法。对于这些回收再利用碳纤维复合材料的方法进行分析和介绍，并且提出来一些回收方法的问题和改进措施，进一步提高回收再利用率。

1 碳纤维复合材料回收存在的主要问题

碳纤维复合材料难回收的主要原因是由于碳纤维材料经过固化处理后，其内部结构发生变化形成一种网状结构，这种网状结构具有较高的稳定性，使得碳纤维复合材料具有不溶于各种溶剂，并且在加热当中也不会熔融的特性，在掩埋和长期放置当中也不会进行分解。当前从国内碳纤维复合材料回收分类来看，其回收主要是从生产废料或者损坏或淘汰的零部件当中进行回收。这就导致碳纤维复合材料废料回收没有分类，给后期的回收技术的选择带来影响，并且直接影响到其回收效率。

碳纤维复合材料废弃物来源主要有两种，一种是在进行生产当中所产生的废料，例如边角料、生产残次品等；另一种也是到达使用年限报废材料，通常是到达使用年限的报废品或者使用中损坏等情况。所以不同的废料需要采用合理的回收方式，可以极大的降低回收成本和处理工艺复杂性。

当前碳纤维复合材料的回收也是存在一定的困难，首先是因为其独特的属性，碳纤维复合材料是由碳纤维和基体加其他添加物组合而成的复合材料，其具有较高的强度和轻度，因此在进行回收过程中较为困难，其主要原因是由于热固性树脂具有较强的连接，导致碳纤维复合材料不能重新的进行熔化和塑形。其次，CFRP 是一种添加其他材料的结合材料。例如我们所熟知的蜂窝结构、金属配件等给碳纤维复合材料的回收造成了巨大的困难。

传统的处理碳纤维复合材料的废弃物，主要是通过掩埋和焚烧。虽然这两种处理方式。十分便捷的，但是由于焚烧对于环境的污染是巨大的碳纤维复合材料在焚烧后会产生大量的烟尘和有毒气体，这些气体对于人体的危害是十分巨大的。而采用掩埋的方式会给土地带来巨大的破坏，并且这样会加剧碳纤维复合材料的浪费。随着我国对于环境质量的重视，国家已经明令禁止，对于碳纤维复合材料进行焚烧和掩埋处理，所以开发和研究新的碳纤维复合材料回收技术，推动碳纤维复合材料的应用发展是十分重要的。

当前，全球对于碳纤维复合材料的废弃物回收方法主要是化学回收。由于碳纤维复合材料应用广泛，所以在进行回收处理的过程中对其进行分类处理，再通过选择合适恰当的回收方法进行处理。对碳纤维复合材料的物理回收，是通过对于废弃物进行粉碎和熔融，作为新材料的原材料使用。这样的回收方法成本较低且处理方法也比较简单，同时还可以产生新的材料进行应用。其次就是我们所熟知的一些公路铺设原材料、炼铁的还原剂等，但是这种简单的物理处理方法，所回收的碳纤维复合材料都是些价值较低的再生产品。因此这类回收方式，并不适合长期的碳纤维复合材料的回收。

2 CFRP回收方法分析

化学回收是碳纤维复合材料回收的主要方式。通过化学方式将废弃物中的可利用物质进行提取，虽然这类方式，回收起来具有较大的难度，并且需要投入大量的资金，但是对碳纤维复合材料的回收利用效果是比较好的。目前所熟知的化学回收方法主要包括：氧化流化床法、超临界流体法和热解法等。

（1）热解法是目前在实现碳纤维复合材料回收当中应用较为商业化的一种手段。这种方式是通过利用高温下复合材料进行降解的原理，从中得到表面干净的碳纤维和其他添加材料，回收得到的其他回收部分有机液体，可以作为其他材料的原料。热分解工艺首先将碳纤维复合材料进行预处理，再通过在高温的条件下，碳纤维和碳纤维复合材料当中的添加物进行化学反应，从而复合材料内部中的树脂进行分解，实现回收再利用。其原理是利用反应器将温度保持在400－500℃，在这个温度下树脂会在裂解容器中进行裂解，再通过氧化反应将裂解产物进行清除，从而得到可以利用的碳纤维。这种回收工艺可以较好的保护碳纤维属性，不会对其产生损伤，但是由于这种工艺技术难度大，操作要求高，因此并不是优先采用的回收方法，从而使得碳纤维再次利用受到一定的限制和影响。

（2）流化床回收方法是通过流化床反应器内部空气作为流化气体，在一定的温度下使得碳纤维和树脂分离的方法。这种方法目前应用较为广泛，在这种工艺当中还采用了旋风分离器，进而获得碳纤维复合材料中填料的颗粒和表面干净的碳纤维。500℃流化速率1m∕s.流化时间10min试验条件下得到回收纤维的表面特征，针对回收表面分析经过流化床方法的处理后，碳纤维表面的羟基(-OH)转变为氧化程度更高些的羰基(-C=O)和羧基(-COOH)，但是其表面氧碳比不变，这就表明500℃流化速率1m∕s.流化时间10min 试验条件下回收得到的碳纤维环氧树脂的剪切应力不受影响，保证了碳纤维的力学性能。对比用温度450℃的流化热流，其速率为lm∕s.流化床上砂粒的平均粒度为0.85mm 的条件下，对碳纤维复合材料进行热分解试验，回收得到的碳纤维长度为5.9～9.5mm。试验表明，回收纤维的拉伸强度约为原纤维的75%，而弹性模量基本上没有变化，因而可以得出该种方式所回收得到的碳纤维可部分或全部取代原始短切碳纤维，并且原始碳纤维长度越长，回收得到较好的碳纤维材料。这种方法主要用于还有其他混合物的及污染物的碳纤维复合材料回收。当然这种方法并不是十全十美的回收方式，流化床热分解法，由于回收过程当中旋风分离器内部对于纤维表面有一定的摩擦，从而造成碳纤维表面有一定的损伤，使得碳纤维的表面达到了破坏，降低碳纤维的原有属性。目前采用的流化床分解法。虽然可以得到较为干净的碳纤维，但是由于碳纤维表面受到磨损程度的影响，使得碳纤维整体的力学性能下降，使得碳纤维复合材料的回收变的效率低下。

（3）超临界流体法是一种液体的温度及压力处于连接状态下相对密度、溶解度等各项数据都会发生变化，从而使得液体具有很高的活性，变得更加的容易溶解。所以在进行碳纤维复合材料的回收当中，利用超临界流体的这些特征，进行分解碳纤维复合材料。在这种方式下能够进一步的保护好碳纤维的原始属性。这种回收方法应用效果较好的溶解剂是超临界丙醇对整树脂的溶解效果较好，得到的碳纤维几乎接近原始纤维的数值属性。

3 结语

随着我国的经济快速发展，碳纤维复合材料在我国的经济建设中，发挥出越来越重要的作用。越来越多的行业对于碳纤维复合材料的应用更加的广泛，其生产发展所产生的废弃物越来越多，所以只有不断的发展纤维复合材料废弃物回收技术，才能将这些废弃物进行高效的利用和回收，从而促进我国碳纤维复合材料能够在各个行业中长期稳定的应用和发展。