碳纖維及復(fù)合材料回收現(xiàn)狀及其研究

李曉林 黃海超 李楊 王寶銘 郭慶山（威海拓展纖維有限公司，山東 威海 264200）

文章介紹了當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料（CFRP）回收再利用的主要方法。在回收方法當(dāng)中應(yīng)用最廣泛的是化學(xué)方法，其中包括熱解法、超臨界流體法、氧化流化床法。對于這些回收再利用碳纖維復(fù)合材料的方法進(jìn)行分析和介紹，并且提出來一些回收方法的問題和改進(jìn)措施，進(jìn)一步提高回收再利用率。

1 碳纖維復(fù)合材料回收存在的主要問題

碳纖維復(fù)合材料難回收的主要原因是由于碳纖維材料經(jīng)過固化處理后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化形成一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，使得碳纖維復(fù)合材料具有不溶于各種溶劑，并且在加熱當(dāng)中也不會熔融的特性，在掩埋和長期放置當(dāng)中也不會進(jìn)行分解。當(dāng)前從國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料回收分類來看，其回收主要是從生產(chǎn)廢料或者損壞或淘汰的零部件當(dāng)中進(jìn)行回收。這就導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料廢料回收沒有分類，給后期的回收技術(shù)的選擇帶來影響，并且直接影響到其回收效率。

碳纖維復(fù)合材料廢棄物來源主要有兩種，一種是在進(jìn)行生產(chǎn)當(dāng)中所產(chǎn)生的廢料，例如邊角料、生產(chǎn)殘次品等；另一種也是到達(dá)使用年限報廢材料，通常是到達(dá)使用年限的報廢品或者使用中損壞等情況。所以不同的廢料需要采用合理的回收方式，可以極大的降低回收成本和處理工藝復(fù)雜性。

當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料的回收也是存在一定的困難，首先是因為其獨特的屬性，碳纖維復(fù)合材料是由碳纖維和基體加其他添加物組合而成的復(fù)合材料，其具有較高的強度和輕度，因此在進(jìn)行回收過程中較為困難，其主要原因是由于熱固性樹脂具有較強的連接，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料不能重新的進(jìn)行熔化和塑形。其次，CFRP 是一種添加其他材料的結(jié)合材料。例如我們所熟知的蜂窩結(jié)構(gòu)、金屬配件等給碳纖維復(fù)合材料的回收造成了巨大的困難。

傳統(tǒng)的處理碳纖維復(fù)合材料的廢棄物，主要是通過掩埋和焚燒。雖然這兩種處理方式。十分便捷的，但是由于焚燒對于環(huán)境的污染是巨大的碳纖維復(fù)合材料在焚燒后會產(chǎn)生大量的煙塵和有毒氣體，這些氣體對于人體的危害是十分巨大的。而采用掩埋的方式會給土地帶來巨大的破壞，并且這樣會加劇碳纖維復(fù)合材料的浪費。隨著我國對于環(huán)境質(zhì)量的重視，國家已經(jīng)明令禁止，對于碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行焚燒和掩埋處理，所以開發(fā)和研究新的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)，推動碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展是十分重要的。

當(dāng)前，全球?qū)τ谔祭w維復(fù)合材料的廢棄物回收方法主要是化學(xué)回收。由于碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用廣泛，所以在進(jìn)行回收處理的過程中對其進(jìn)行分類處理，再通過選擇合適恰當(dāng)?shù)幕厥辗椒ㄟM(jìn)行處理。對碳纖維復(fù)合材料的物理回收，是通過對于廢棄物進(jìn)行粉碎和熔融，作為新材料的原材料使用。這樣的回收方法成本較低且處理方法也比較簡單，同時還可以產(chǎn)生新的材料進(jìn)行應(yīng)用。其次就是我們所熟知的一些公路鋪設(shè)原材料、煉鐵的還原劑等，但是這種簡單的物理處理方法，所回收的碳纖維復(fù)合材料都是些價值較低的再生產(chǎn)品。因此這類回收方式，并不適合長期的碳纖維復(fù)合材料的回收。

2 CFRP回收方法分析

化學(xué)回收是碳纖維復(fù)合材料回收的主要方式。通過化學(xué)方式將廢棄物中的可利用物質(zhì)進(jìn)行提取，雖然這類方式，回收起來具有較大的難度，并且需要投入大量的資金，但是對碳纖維復(fù)合材料的回收利用效果是比較好的。目前所熟知的化學(xué)回收方法主要包括：氧化流化床法、超臨界流體法和熱解法等。

（1）熱解法是目前在實現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料回收當(dāng)中應(yīng)用較為商業(yè)化的一種手段。這種方式是通過利用高溫下復(fù)合材料進(jìn)行降解的原理，從中得到表面干凈的碳纖維和其他添加材料，回收得到的其他回收部分有機液體，可以作為其他材料的原料。熱分解工藝首先將碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行預(yù)處理，再通過在高溫的條件下，碳纖維和碳纖維復(fù)合材料當(dāng)中的添加物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，從而復(fù)合材料內(nèi)部中的樹脂進(jìn)行分解，實現(xiàn)回收再利用。其原理是利用反應(yīng)器將溫度保持在400－500℃，在這個溫度下樹脂會在裂解容器中進(jìn)行裂解，再通過氧化反應(yīng)將裂解產(chǎn)物進(jìn)行清除，從而得到可以利用的碳纖維。這種回收工藝可以較好的保護碳纖維屬性，不會對其產(chǎn)生損傷，但是由于這種工藝技術(shù)難度大，操作要求高，因此并不是優(yōu)先采用的回收方法，從而使得碳纖維再次利用受到一定的限制和影響。

（2）流化床回收方法是通過流化床反應(yīng)器內(nèi)部空氣作為流化氣體，在一定的溫度下使得碳纖維和樹脂分離的方法。這種方法目前應(yīng)用較為廣泛，在這種工藝當(dāng)中還采用了旋風(fēng)分離器，進(jìn)而獲得碳纖維復(fù)合材料中填料的顆粒和表面干凈的碳纖維。500℃流化速率1m∕s.流化時間10min試驗條件下得到回收纖維的表面特征，針對回收表面分析經(jīng)過流化床方法的處理后，碳纖維表面的羥基(-OH)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸潭雀咝┑聂驶?-C=O)和羧基(-COOH)，但是其表面氧碳比不變，這就表明500℃流化速率1m∕s.流化時間10min 試驗條件下回收得到的碳纖維環(huán)氧樹脂的剪切應(yīng)力不受影響，保證了碳纖維的力學(xué)性能。對比用溫度450℃的流化熱流，其速率為lm∕s.流化床上砂粒的平均粒度為0.85mm 的條件下，對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行熱分解試驗，回收得到的碳纖維長度為5.9～9.5mm。試驗表明，回收纖維的拉伸強度約為原纖維的75%，而彈性模量基本上沒有變化，因而可以得出該種方式所回收得到的碳纖維可部分或全部取代原始短切碳纖維，并且原始碳纖維長度越長，回收得到較好的碳纖維材料。這種方法主要用于還有其他混合物的及污染物的碳纖維復(fù)合材料回收。當(dāng)然這種方法并不是十全十美的回收方式，流化床熱分解法，由于回收過程當(dāng)中旋風(fēng)分離器內(nèi)部對于纖維表面有一定的摩擦，從而造成碳纖維表面有一定的損傷，使得碳纖維的表面達(dá)到了破壞，降低碳纖維的原有屬性。目前采用的流化床分解法。雖然可以得到較為干凈的碳纖維，但是由于碳纖維表面受到磨損程度的影響，使得碳纖維整體的力學(xué)性能下降，使得碳纖維復(fù)合材料的回收變的效率低下。

（3）超臨界流體法是一種液體的溫度及壓力處于連接狀態(tài)下相對密度、溶解度等各項數(shù)據(jù)都會發(fā)生變化，從而使得液體具有很高的活性，變得更加的容易溶解。所以在進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的回收當(dāng)中，利用超臨界流體的這些特征，進(jìn)行分解碳纖維復(fù)合材料。在這種方式下能夠進(jìn)一步的保護好碳纖維的原始屬性。這種回收方法應(yīng)用效果較好的溶解劑是超臨界丙醇對整樹脂的溶解效果較好，得到的碳纖維幾乎接近原始纖維的數(shù)值屬性。

3 結(jié)語

隨著我國的經(jīng)濟快速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料在我國的經(jīng)濟建設(shè)中，發(fā)揮出越來越重要的作用。越來越多的行業(yè)對于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用更加的廣泛，其生產(chǎn)發(fā)展所產(chǎn)生的廢棄物越來越多，所以只有不斷的發(fā)展纖維復(fù)合材料廢棄物回收技術(shù)，才能將這些廢棄物進(jìn)行高效的利用和回收，從而促進(jìn)我國碳纖維復(fù)合材料能夠在各個行業(yè)中長期穩(wěn)定的應(yīng)用和發(fā)展。