回收新技术对碳纤维应用的意义与影响

  碳纤维复合材料的回收再利用问题一直是阻碍碳纤维应用的重要关隘之一，因为CFRP的聚合物基体通常都是像橡胶一样的交联结构，不能轻易溶解，因此很难去除聚合物并回收嵌在其中的碳纤维，无论是环境保护方面还是原材料成本方面都势必影响到碳纤维复合材料的深入应用。不过随着相关研究的持续跟进，解决碳纤维复合材料回收利用问题指日可待。

　　对碳纤维复合材料回收利用的研究始于21世纪初，2006年日本碳纤维制造商协会（JCMA）从“碳纤维再生技术的实证研究开发”课题出发，取得了可控制所回收碳纤维长度、并可除去金属杂质和树脂残渣量低的再生碳纤维技术。2014年，JCMA回收厂联合东丽株式会社、帝人集团和三菱丽阳株式会社，扩充出不需要预粉碎就可进行热解过程的RCF生产技术。在此之前，JCMA已经拥有1000t/a的RCF生产能力，而新工艺具有60t/a的回收能力，甚至可以回收连续纤维以及排列不连续RCF。

　　与此同时，日本碳纤维再生工业公司（CFRI）在由废CFRP回收碳纤维时采用了独有的热解法技术，以废料燃烧时所产生的热分解气作为碳纤维回收工程的热源，从而可比以往的方法节约六成的能源。通过碳化炉和烧成炉两段烧成实现再生，可原封不动地回收长纤维，所回收的碳纤维强度可达原生碳纤维的80%以上。该回收系统所回收的碳纤维产能约为60 t/a，目前该回收产品已应用于汽车部件，可实现整车减重20%以上。　　

　　德国CFK Valley e.V. 与Karl Meyer AG于2007年合作建立的名为CFK Valley Recycling的产业化RCF生产线，目前已经具有1000t/a的回收碳纤维生产能力。

　　较早涉入碳纤维应用的德国宝马（BMW）汽车公司早在2012年就和美国波音飞机公司签订了共同研发碳纤维回收再生技术的协议，内容包括制造技术秘密共享等，并致力于自动化过程的研究。宝马的i3和i8系列车型中已开始使用废弃循环利用的材料，为宝马生产碳纤维汽车零部件的SGL汽车碳纤维公司已经通过收集i系列汽车CFRP机织和针织预成型件废料获得RCF，回收的RCF制成绗缝非织造材料后用于生产i3和i8车顶和后座的CFRP。

　　除此之外，日本日立化成、日本精细陶瓷中心（JFCC）与大同大学、德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所、西门子中央研究院、德国萨克森纺织研究所（STFI）等也先后在可产业化的碳纤维回收技术中取得相应的进展。特别是最近，乔治亚理工学院研究人员声称可以对某些类型的CFRP几乎可以实现回收，这种新工艺是通过将复合材料浸泡在乙醇溶剂中使环氧树脂缓慢溶解，从而将碳纤维与环氧树脂分离。Jerry Qi教授表示，由该研究团队研究的一种名为vitrimer的特殊环氧树脂含有在某些条件下可以替换结构但不损坏交联网络完整性的动态键，通过使小分子化合物乙醇参与到网络结构的替代反应中，能有效地溶解vitrimers，而且整个工艺过程简单快捷。

　　由此可见，目前CFRP的回收再利用在技术层面已经没有什么问题，需要面对的是进一步的产业化和市场应用。

　　对于国内市场来说，碳纤维复合材料的应用才算刚刚起步，除了应用碳纤维起步较早的航天、体育、汽车等行业之外，民用领域绝大部分还处在尝试阶段，未来市场规模不可估量。而碳纤维复合材料回收利用技术的不断突破给碳纤维应用带来的积极影响是显而易见的，对此，长三角地区知名的碳纤维零部件制造厂家无锡威盛新材的市场部主管表示：“碳纤维回收再利用不仅有效消弭了环保方面的远忧，更在深层次上解决了碳纤维复合材料成本高昂的问题。只要回收利用真正地进入产业化的环节，就能有效缓解应用行业的压力”。据该负责人介绍，高铁等轨道制造业的许多知名厂家已与其建立合作关系，像高铁结构件这类大规模、批量化零部件产品有望通过碳纤维实现质的飞跃。

　　随着碳纤维复合材料的应用越来越广，回收技术的价值将得到更大程度的凸显，但是如同任何一种资源的回收和再利用一样，回收后的碳纤维的质量与性能、回收成本的高低、市场认同和接受度等方面仍需等待进一步的考量。