碳纖維材料的回收利用，碳纖維材料回收利用，技術、挑戰與

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維材料回收利用方法多樣，主要包括機械回收、能量回收和化學回收三類，機械回收操作簡便、成本較低，但回收過程中碳纖維易受損；能量回收通過焚燒發電發熱，會釋放大量有毒氣體，破壞環境，并非理想方法；化學回收分為溶劑分解法和熱解法，高溫熱解法是目前工業生產中唯一商業化運行的回收方法，應用前景較好，堪薩斯大學和南加州大學的研究人員共同開發了一種突破性的新技術，能夠高效回收碳纖維復合材料，

碳纖維材料回收利用的背景

碳纖維被業界譽為材料之王黑色黃金，具有重量輕、強度高和耐腐蝕等特點，被廣泛應用于航空、航天、能源、交通、風電葉片、建筑橋梁、軍用裝備等領域，是國防軍工和民用生產生活的重要材料。近年來，隨著碳纖維產業進入快速發展期，碳纖維復合材料應用量不斷增加，生產過程中產生的廢料也越來越多。業內專家指出，碳纖維產業鏈的各個環節都會產生廢棄物，僅生產制造過程中的報廢率就高達30% - 50%，而且碳纖維復合材料（CFRP）很難修理，即使一部分損壞也會被廢棄。由于碳纖維復合材料在自然條件下不能降解，大量的廢品和廢料只能進行填埋。據統計，僅2018年全球碳纖維使用量就達到9.26萬噸，其中，報廢量為3.03萬噸。這樣不僅會對環境造成污染，也是對資源的極大浪費。

碳纖維材料的回收方法

高溫熱解法
- 這是當今唯一已經實現商業化運營的碳纖維增強復合材料的回收方法，這種工藝是在高溫下使復合材料進行降解，以得到表面干凈的碳纖維，同時還可以回收部分有機液體燃料。例如，日本在福岡縣興建的中試廠，每年可處理碳纖維復合材料廢棄物60t；英國的MilledCarbonFiberLtd.利用一套長達37m的熱分解設備，每年大約可處理2000t的廢棄碳纖維復合材料，所生產的再生碳纖維的產量為1200t，其處理方法是在無氧狀態下加熱碳纖維復合材料廢棄物，保持溫度在400 - 500之間，得到的清潔碳纖維可具有90% - 95%原始纖維的力學性能，同時分解出的熱解氣或熱解油也可用作熱分解的加熱能量；美國AdherentTechnologiesInc(ATI)發明的低溫、低壓的碳纖維復合材料熱分解工藝，檢測表明，用這種方法回收并處理后碳纖維的表面基本上沒有受到損傷，碳纖維強度比原始纖維降低約為9%左右；丹麥的ReFiber公司通過在無氧環境條件下，在溫度為500的旋轉爐中將碳纖維復合材料氣化，成功地用高溫熱解法回收了復合材料風機葉片；德國的KarlMeyer再生材料公司開發的一種在加熱爐中通入保護氣體用以隔絕氧氣的新工藝，可使碳纖維復合材料分解后碳纖維基本沒有受到損傷。但采用高溫熱解法碳纖維由于受到高溫和表面氧化等作用，碳纖維的力學性能降低的幅度比較大，這將使碳纖維的再利用受到一定的影響。
流化床熱分解法
- 這是一種采用高溫的空氣熱流對碳纖維復合材料進行高溫熱分解的碳纖維回收方法，通常這種工藝還采用旋風分離器來獲得填料顆粒和表面干凈的碳纖維。英國諾丁漢大學對于流化床熱分解工藝方法進行了系統研究，結果表明這種方法特別適用于那些含有其他混合物及污染物碳纖維復合材料報廢零部件的回收和利用。研究表明，流化床熱分解造成碳纖維拉伸強度降低的主要影響因素是砂粒對纖維表面由于摩擦作用造成了一定的損傷，而且碳纖維與旋風分離器壁的摩擦也造成了碳纖維表面的破壞。雖然用流化床分解法回收可得到比較干凈的碳纖維，但由于這種工藝受高溫、砂粒磨損等影響，導致了碳纖維長度變短和碳纖維力學性能下降，因而也將影響所回收碳纖維的實際應用范圍。
超/亞臨界流體法
- 當液體的溫度及壓力處于臨界點或臨界點的附近時，液體的各種性質發生急劇變化，人們利用超/亞臨界液體對高分子材料的獨特溶解性能來分解碳纖維復合材料，在期待能最大限度地保留碳纖維的原始性能的前提下，獲得到干凈的碳纖維。例如，PineroHemanzR等研究了在超臨界水中碳纖維增強環氧樹脂復合材料的分解過程，試驗表明，在673K、28MPa下經30min反應，環氧樹脂的分解率為79.3%，當加入氫氧化鉀（KOH）催化劑，環氧樹脂的分解率達到95.3%，而且所得到的碳纖維的拉伸強度能夠保持為原始纖維的90% - 98%。
機械回收法
- 原理是利用高溫（500 - 1200C）使碳纖維復合材料分解，產生氣體、液體和固體產物，釋放出可回收的纖維和熱解產物，例如石墨、焦油和氣體。適用于處理廢棄碳纖維復合材料，但需要額外的能耗和尾氣處理。
溶劑法
- 使用有機溶劑（例如丙酮、甲苯）溶解碳纖維復合材料中的基體材料，溶解后的基體通過過濾或蒸發去除，留下碳纖維。適用于回收高價值的碳纖維，但溶劑的成本和環境影響需要考慮。
微波裂解法
- 利用微波能量對碳纖維復合材料進行加熱和裂解，微波場會產生局部高溫，導致基體材料分解和碳纖維釋放，能耗較低，但需要特殊的微波設備和處理技術。
常溫CFRP分解回收技術
- 研究團隊開發的一種在低溫下可簡單分解CFRP的技術。在溶液中浸泡CFRP的話，短時間就可以將碳纖維與樹脂分離，同時可以將樹脂原料回收再利用。這項技術的啟發來自于人體內發生的氧化還原反應的結構，將CFRP中S - S鍵進行了重組，替換掉樹脂中的S - S鍵，分解后的樹脂溶解在有機溶劑中。將CFRP浸漬在溶劑中→攪拌后3小時→樹脂完全溶解，碳纖維被完全分離出來→CFRP分解后的溶液。在不使用有害制劑的情況下，只需在溶液中加入生物材料就可以分解堅固的CFRP并進行再利用，有望成為節能、環保時代CFRP普及的關鍵所在。