废弃碳纤维复合材料的再生利用

有着“黑色黄金”之称的碳纤维复合材料,具有轻质、高强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计和成型工艺性好等优点,在航空航天、体育器材、风电叶片、建筑补强、交通工具等领域得到了广泛应用。

碳纤维复合材料多采用热固性聚合物(环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等)作为基体树脂,固化成型后形成三维交联网状结构,但是成型后的碳纤维复合材料无法进行再次的模塑或加工,因此特别难处理。

据专业相关统计,一批碳纤维在制备过程中将产生大约30%的边角废料,而第一代采用碳纤维的部分飞机即将达到25~30年的服务期,这些飞机报废后必将产生大量的碳纤维废弃物。

不仅飞机,还有风机叶片、火车、公路车辆、船艇、运动商品,这些物品都有一个使用寿命,而这些物品中所有的碳纤维都会随着使用寿命的到来而被产生废弃物。随着碳纤维的应用领域越来越广泛,废弃的碳纤维材料也越来越多,对废弃碳纤维的回收再利用已经成为业内需要应对的新挑战,开发低成本、绿色化废弃碳纤维复合材料的回收及再利用技术刻不容缓。

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废弃碳纤维的回收方法

目前世界范围内使用比较多的废弃碳纤维处理方式有物理回收法、能量回收法以及化学回收法。

物理回收法是目前最为简单、成本也最低的一种处理方式。该方法主要是将废弃碳纤维破碎成颗粒或碾磨成粉末,然后直接作为填料添加到铺路材料、水泥中。但得这种使用这种回收方法,得到的大多数是低价值的再生产品,对于含有大量高价值碳纤维的复合材料来说,有些“浪费”。

能量回收法则是目前公认为最为合适的一种处理方式。一般是通过焚烧碳纤维废弃物中的有机物并利用其能量的方法。该回收方法工艺简单且能够得到高价值的碳纤维,但是这种回收方法最大的硬伤就在于——废弃物在焚烧过程中会释放有毒气体,必定会产生造成二次污染。

化学回收法相较于前面两种方式用的不是特别多,这种处理方式主要是依据是否采用介质,该方法主要包括热解法和溶剂分解法。

一、热解法

热解是利用高温将复合材料中的树脂分解成有机小分子从而回收碳纤维的方法,依据反应气氛、反应器和加热方式的不同分为热裂解、流化床、真空裂解及微波裂解等方法。热裂解法不使用化学试剂,易于进行工业化放大,也是世界上唯一实现碳纤维回收商业化运营的方法。流化床法是指在流化床反应器中通入氧气或空气,反应温度控制在450~550℃使树脂分解,得到的回收碳纤维在气旋作用下流动并与金属分离,树脂分解产生的气体被重新作为燃料补充流化床运转过程中耗费的能量。流化床反应器内的温度比热裂解更均匀,更易控制,它可以处理含污染物较多的废弃碳纤维,同时回收的纤维表面没有积炭残留,但纤维长度和力学性能损失严重。

二、溶剂分解法

溶剂法是指利用溶剂和热的共同作用使聚合物中的交联键断裂,分解成低分子量的聚合物或有机小分子溶解在溶剂中,从而将树脂基体和增强体分离。根据反应条件和所用试剂不同,溶剂法可以分为硝酸分解法、氢化分解法、超/亚临界流体分解法、常压溶剂分解法和熔融盐法。

硝酸法利用了硝酸的强氧化性和强酸性,可以在低于100℃的低温分解碳纤维,得到的碳纤维表面干净无积炭残留,碳纤维力学性能损失不大,但处理时间较长,操作危险性比较高,同时会产生一些氮氧化物气体。超/亚临界流体法是指利用溶剂在超/亚临界状态下的扩散和溶解能力将碳纤维废弃物的树脂基体分解,从而得到干净的碳纤维的方法。这种方法能够很好地保留原始碳纤维的力学性能。常压分解法是指在常压条件下采用溶剂将复合材料中的树脂基体降解,使之变为可溶性的物质,从而使复合材料中的各组分易于分离、回收再利用。它避免了高压反应频繁操作的问题,工艺简便,有利于进一步实现产业化。

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回收废弃碳纤维所面临的挑战

与玻璃纤维相比,碳纤维具有更高的经济价值,因此废弃碳纤维的化学回收过程更具商业吸引力。但是目前碳纤维回收利用的商业化仍面临着许多问题。

废料的收集、分类、处理困难:废弃碳纤维的来源与组成复杂,如果不加分类直接处理就会造成产品质量不可控,因此需要加强废料产生厂家与回收处理厂家之间的合作。

回收碳纤维的质量控制:废料中碳纤维的来源复杂,需要建立相应的分级和评价方法,对回收碳纤维进行正确的成本和性能评估,确定适合的市场。

回收碳纤维的再应用:回收碳纤维多为短切纤维,利用其导电、导热性能将作为热塑性树脂的填料是其应用的一种,但附加值相对较低。需要研究开发针对回收碳纤维具有更高附加值的产品,提高整个回收过程的经济效益。

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