碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用

1、碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用(一) 2010-03-31復(fù)材在線收藏該文章目前，碳纖維復(fù)合材料的回收再利用問題已經(jīng)成為越來越熱門的話題。該文將從兩方面-碳纖維的回收和再利用，對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀分別進(jìn)行描述和概括。輕量碳纖維增強(qiáng)塑料 (CFRP結(jié)構(gòu)是如今市場(chǎng)上大熱的復(fù)合材料，但更令人關(guān)注的問題是，當(dāng)這種時(shí)下流行的碳纖維復(fù)合材料最終達(dá)到其使用壽命后，將會(huì)被怎樣處置？目前，全球絲束碳纖維每年的產(chǎn)量已經(jīng)超過2.7萬噸。與廉價(jià)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料( GRP的所采取的處置方式不同，考慮到碳纖維熱固性塑料不可降解的特點(diǎn)，及其帶來的健康和安全風(fēng)險(xiǎn)， 因此，不論是將其磨成粉末， 或是送到垃圾場(chǎng)填埋，亦或是采取焚燒的辦法

2、在目前看來都不能湊效。不容忽視的是，高檔長碳纖維是一種具有很高價(jià)值的商品，平均每制備1噸這種產(chǎn)品就需要至少耗資1萬英鎊，因此，碳纖維的回收及循環(huán)再造的方式必須意味著能夠提供具有價(jià) 格競(jìng)爭力的材料，同時(shí)具有微創(chuàng)受損的機(jī)械性能和良好的表面化學(xué)性能。換句話說，碳纖維的回收及循環(huán)再造是一種能夠把環(huán)氧樹脂從碳纖維上分離開來，同時(shí)保證大部分原纖維的特性不受損壞的方式。目前該領(lǐng)域的研究已經(jīng)初現(xiàn)成果，比如增強(qiáng)塑料( Reinforced Plastics )在一份報(bào)告 中對(duì)高溫分解法進(jìn)行了闡述，即環(huán)氧樹脂在低氧燃燒過程中被高溫降解，現(xiàn)在這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)被著名的英國碳纖維回收商 -Milled Carbon所采納。

3、另有研究跡象表明，微波輻射可幫助提高碳纖維的再生率。還有研究發(fā)明了流化床法（Fluidised bed method ）,預(yù)分散的廢料被流經(jīng)它下方的高溫（約550C）液體或氣體流化，隨后進(jìn)行熱解和氧化，并最終逐步將其組成部分分離開來。雖然上述方法可以達(dá)到分離環(huán)氧樹脂的目的，但不能克服的障礙是導(dǎo)致纖維縮短，或者一些纖維特性的退化。但是，盡管英國諾丁漢大學(xué) （University of Nottingham）的研究人員推出一個(gè)新系統(tǒng)，證明在小規(guī)模上能將高模量長碳纖維恢復(fù)到近乎原始的狀態(tài)，進(jìn)而可重新用于制備重要材料結(jié)構(gòu)。并且，根據(jù)史蒂夫.皮克林博士帶領(lǐng)的諾丁漢大學(xué)工學(xué)部研究小組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示， 已經(jīng)

4、通過化學(xué)方法將環(huán)氧基降解了。但其實(shí)，該試驗(yàn)方法本身并不是一個(gè)新方法，因?yàn)橐呀?jīng)不乏有其他研究人員嘗試使用各種試劑（包括強(qiáng)有機(jī)溶劑，和硝酸試劑等），但大部分試劑的化學(xué)濃度都偏強(qiáng)，甚至有的還是有毒化學(xué)品。而英國諾丁漢大學(xué)研究小組能夠找出既便于處理，并且很有效的溶劑，使分離后的碳纖維保留了幾乎所有的原始強(qiáng)度和剛度。同時(shí)，該方法還可以從經(jīng)過熱解和流化床分解后回收的環(huán)氧樹脂中進(jìn)一步提取出有用的化學(xué)物質(zhì)?？梢哉f目前很少或幾乎沒有類似的方法，環(huán)氧樹脂基一般都采取燃燒處理方式。碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用（二） 2010-04-02復(fù)材在線 收藏該文章諾丁漢大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)成功利用超臨界丙醇流體不僅達(dá)到高質(zhì)量回收碳

5、纖維的目的，而且能將環(huán)氧樹脂進(jìn)一步分解為有用的化學(xué)物質(zhì)，一舉兩得。諾丁漢大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的突破在于成功利用超臨界流體的溶解力，并證明在其他行業(yè)一 樣行之有效。研究人員對(duì)超臨界水，二氧化碳和一系列有機(jī)溶劑包括乙醇，甲醇和丙酮進(jìn)行試驗(yàn)后，才將將目光鎖定丙醇。丙醇是一種成本合理的短鏈醇，在常規(guī)狀態(tài)下表現(xiàn)出良好的性能。醇這種物質(zhì)非常有趣，因?yàn)楸M管在高溫（200-450 C）的條件下，它們也只需要適但對(duì)環(huán)氧樹脂的溶解效果欠佳，而丙醇則可成功地分度的壓力（約2-7兆帕）就能達(dá)到超臨界點(diǎn)。正因如此，醇要比水更方便利用，水需要在 2 2.1 MPa的壓力和374 ° C的溫度條件下才能達(dá)到臨界點(diǎn)。然而乙

6、醇和甲醇雖然能夠有效 溶解玻璃纖維復(fù)合材料中的聚酯樹脂， 解環(huán)氧樹脂。研究小組分別用堆狀和半連續(xù)反應(yīng)堆碳纖維復(fù)合材料廢料小樣做實(shí)驗(yàn)，測(cè)試超臨界丙醇對(duì)各自的影響，收到的結(jié)果令人滿意。環(huán)氧基被降解了，留下了干凈且連續(xù)的碳纖維。試驗(yàn)表明，即使是在樹脂完全脫離的情況下，碳纖維幾乎像新的一樣沒有任何明顯的損害，保留了其原有的強(qiáng)度和剛度（高達(dá)99%）,經(jīng)回收后的纖維的重量與原纖維幾乎相當(dāng)，并且與新的基體材料表現(xiàn)出良好的表面化學(xué)特征。而樹脂成分則被分解為以苯酚為主的低分子量碳?xì)浠衔?，該材料的?yīng)用潛力也十分看好。在隨后對(duì)加工程序的優(yōu)化過程中，諾丁漢實(shí)驗(yàn)人員認(rèn)為溫度是最關(guān)鍵的變量，之后才是壓力和流量條件。他們

7、發(fā)現(xiàn)，因溫度因素而增加的流程成本，可以通過使用堿催化劑減少?？梢允褂冒脒B續(xù)流系統(tǒng)，外加催化劑輔助來達(dá)到加速聚合過程的目的。目前已經(jīng)建立的一個(gè)測(cè)試系列：當(dāng)溫度為 350 C時(shí)，并采取氫氧化鉀（KOH做催化劑，大約 98%的樹脂可以被 剝離。如果溫度降低到 275 C，樹脂剝離率則略有所下降到大約 96.5%左右。史蒂夫.皮克林在評(píng)價(jià)該試驗(yàn)結(jié)果時(shí)說：“雖然至今只能在實(shí)驗(yàn)室的試管規(guī)模上展示這一技術(shù)，但我們認(rèn)為初步結(jié)果非常樂觀。用超臨界丙醇有很多潛在的好處：反應(yīng)發(fā)生的溫度和壓力在可控范圍內(nèi)； 回收的纖維在最大程度上保留的原始纖維的特性，同時(shí)還能將樹脂基進(jìn)一步分解成有用的化學(xué)物質(zhì)。 我們下一步希望能擴(kuò)大

8、加工規(guī)模，一次能處理幾公斤的纖維，而不是僅僅幾克?！绷硗猓€有其他方面需要進(jìn)一步探索。也許目前還言之過早，例如，聚丙烯睛（PAN碳纖維的回收過程， 是否對(duì)瀝青纖維同樣有效，雖然皮克林稱，還找不出不可以的理由；另 外，對(duì)固化/未固化材料（約40%的未固化長纖維預(yù)浸漬材料）的分別實(shí)驗(yàn)均證明成功，但 尚未對(duì)夾芯結(jié)構(gòu)或粘結(jié)結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行測(cè)試。據(jù)諾丁漢大學(xué)研究人員調(diào)查，流化床作為回收的另一主要手段，對(duì)混合材料的回收也同樣有效，因此，皮克林認(rèn)為下一步很希望看到超臨界流體回收也能同樣應(yīng)用廣泛。此外，他還希望進(jìn)一步了解這一回收方式或它的衍生物，如何與其他的化學(xué)樹脂物質(zhì)匹配，包括乙烯基酯，酚類，雙馬來酰亞胺和熱塑

9、性塑料。而至于如何消除復(fù)合材料中的其他次要成分，諸 如膨脹填料加三水氧化鋁（ATH ,以及其他耐火添加劑則可能需要進(jìn)一步的分離過程。碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用(三) 2010-04-07復(fù)材在線 收藏該文章隨著碳纖維復(fù)合材料的回收和再利用問題已經(jīng)成為越來越熱門的話題。該部分將主要從碳纖維的再利用角度進(jìn)行描述和概括。從碳纖維中回收高價(jià)值復(fù)合材料方案(稱為 HIRECAR的工作至今已進(jìn)行到一個(gè)階段， 該方案旨在設(shè)法將回收的碳復(fù)合材料應(yīng)用于汽車制造和其他用途。截至去年，這個(gè)為期三年的項(xiàng)目分別由英國諾丁漢大學(xué)(Nottingham University ),和其他材料供應(yīng)商包括先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)(AC

10、G，陶氏化學(xué)汽車(Dow Automotive )，福特汽車公司(Ford Motor Com pany)，纖維加工公司技術(shù)纖維產(chǎn)品和碳纖維生產(chǎn)商?hào)|寶滕克斯有限公司( Toho Tenax Gm bH參與研發(fā)。該研究現(xiàn)正進(jìn)入另一個(gè)稱為AFRECAR負(fù)擔(dān)得起的再生碳纖維)計(jì)劃的階段。諾丁漢大學(xué)再次領(lǐng)軍此次科研任務(wù)，并與ACG福特，光纖產(chǎn)品和技術(shù)東寶滕克斯，碳碎?；厥丈?recycler Milled Carbon )公司和飛機(jī)制造商波音公司展開合作。波音的加入對(duì)于復(fù)合材料在最新一代飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用具有特殊的意義。如今，新一代飛機(jī)機(jī)身采用碳纖維的重量比例已經(jīng)達(dá)到約50% (波音787, A350寬

11、體飛機(jī)的JSF等)，據(jù)預(yù)計(jì)該比例還將進(jìn)一步上升。當(dāng)有一天成千上萬的復(fù)合材料飛機(jī)達(dá)到的使用壽命(約25-30年)后，而此時(shí)有效回收系統(tǒng)和供應(yīng)鏈仍然不到位的話，復(fù)合材料的處置將會(huì)成為一個(gè) 嚴(yán)重的問題。波音民用飛機(jī)集團(tuán)環(huán)境戰(zhàn)略部總經(jīng)理比利.格洛弗評(píng)價(jià)說：“這個(gè)項(xiàng)目將為復(fù)合材料的最終回收解決方案提供重要的技術(shù)支持。波音對(duì)環(huán)境的承諾反映在我們積極的參與綜合回收的行動(dòng)中。我們將繼續(xù)與業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)開發(fā)和回收?qǐng)F(tuán)隊(duì)合作，逐步實(shí)現(xiàn)環(huán)保飛機(jī)的生產(chǎn)和廢料在循環(huán)利用?！敝Z丁漢團(tuán)隊(duì)的主要研究人員包括尼克.沃瑞爾教授，愛德.列斯特博士和史蒂夫.皮克林博士，其中后兩位將成為后續(xù)項(xiàng)目的領(lǐng)軍人。項(xiàng)目資金90萬英鎊是由英國技術(shù)戰(zhàn)

12、略委員會(huì)(Technology Strategy Board )提供，技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)是由英國政府資助的創(chuàng)新，科研和 技能部門(DIUS)贊助。AFRECAR方案的目的不僅是要成功的建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的制備過程，還要進(jìn)一步擴(kuò) 大，使其達(dá)到能提供一些有價(jià)值的再生碳的目的，此外，更重要的是去發(fā)現(xiàn)和開發(fā)碳的用途。該方案還將探索回收環(huán)氧酚及其他碳?xì)浠衔锏慕?jīng)濟(jì)價(jià)值，和這些材料是否可以作為化學(xué)原料被重新使用。尋找和培育回收市場(chǎng)是建立一個(gè)整體可行的回收解決方案的關(guān)鍵。據(jù)尼克.沃瑞爾教授介紹，HIRECAF案及相關(guān)活動(dòng)的重點(diǎn)是將回收的碳纖維用于制造規(guī)模較小的塊狀模塑料（BMC非承重部件，以及用于制造用聚合物將

13、碳纖維卷起來的片狀模塑料（SMC。BMC SMCT泛用于汽車制造業(yè)。 除此之外，再生碳纖維也正在許多其他領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，如輪胎，工 業(yè)注塑模具及體育用品，如滑板。航空設(shè)備供應(yīng)商也正在積極推動(dòng)將碳纖維用于制造飛機(jī)行李箱和餐廚用推車等產(chǎn)品上。此外，再生碳纖維用于制造汽車制動(dòng)器也成為受英國政府資助 的ReBrake重點(diǎn)方案，其中Milled Carbon 公司是該方案的重要參與者。植絨纖維可用于制造導(dǎo)電基板，過濾介質(zhì)和室內(nèi)設(shè)計(jì)裝飾。短纖維用于建筑領(lǐng)域可以幫助提高混凝土的強(qiáng)度和 耐久性。超臨界流體回收方法最明顯的好處是， 它可以在最大程度上恢復(fù)碳纖維的原始屬性， 保 留最大的利用價(jià)值， 從而使其適用

14、于其他級(jí)別較高的用途， 包括堅(jiān)固的工程結(jié)構(gòu)件， 汽車地 板盤，和二級(jí)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件。超臨界流體回收方法能夠在壓力狀態(tài)下達(dá)到恢復(fù)長纖維，并將其對(duì)齊的目的，這就是為什么再生纖維適合用于制備承重機(jī)構(gòu)件的關(guān)鍵因素。先進(jìn)復(fù)合材料集團(tuán)（ACG技術(shù)總監(jiān)埃比沙希迪博士指出：“如果再生碳纖維材料能夠 具備與原始纖維相當(dāng)?shù)男阅芎统杀舅?，被進(jìn)一步紡成連續(xù)紗的話， 它的應(yīng)用將會(huì)被迅速擴(kuò)大到汽車或其他對(duì)于部件的重量要求較高的領(lǐng)域。最典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車（如輕量車身板，底盤），船舶，航空航天等行業(yè)以及其他行業(yè)?！庇萍紕?chuàng)新計(jì)劃一FibreCycle ,是一個(gè)關(guān)于再循環(huán)利用的倡議，旨在倡導(dǎo)將碳纖維再生并轉(zhuǎn)化為制造細(xì)紗或短

15、纖維。據(jù)史蒂夫.皮克林預(yù)計(jì)，使用這種紗線和絲束制造出來的預(yù)浸料材料具有較高的纖維體積分?jǐn)?shù)，因此是在強(qiáng)度和剛度性能方面具備出色表現(xiàn)的材料。特別是技術(shù)型纖維產(chǎn)品將涉及這一方面的內(nèi)容。由此看來，英國有可能將在此項(xiàng)技術(shù)研究領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位。雖然有一部分相關(guān)工作被認(rèn)為是由日本主持，但具體細(xì)節(jié)目前還無法得知，而美國回收技術(shù)專家Adherent Technologies公司聲稱也有一個(gè)類似的研究項(xiàng)目，但同樣也無法進(jìn)行過多的細(xì)節(jié)描述。史蒂夫 .皮克林對(duì)前景還是充滿樂觀的。他稱：“未來看起來很有希望，隨著行業(yè)需求碳復(fù)合材料的產(chǎn)量將達(dá)到成千上萬噸， 這將不僅具有良好的環(huán)境意義，同時(shí)隨著其可回收率的提高，經(jīng)濟(jì)價(jià)