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汽车碳纤维迎来万吨级市场,但回收问题却愈演愈烈

纤维复合材料具有重量轻,强度高,模量高,耐腐蚀等优点,受到众多汽车企业青睐。目前,碳纤维复合材料在汽车车体和零部件中都得到了广泛应用。如:汽车车身、内外饰、底盘系统、动力系统等等。但是随着应用量的增加,其污染问题也会日趋严重。开发大规模、连续化、低成本、低能耗的回收和再利用技术迫在眉睫。

图 汽车碳纤维市场预测(来源:赛奥碳纤维)


一、碳纤维回收的价值与意义



1. 经济价值

碳纤维生产过程中需要消耗很多能源,因此价格比较昂贵,对其进行回收再利用一方面可以减少生产新碳纤维所需要的能源消耗,另一方面回收之后的碳纤维仍有很好的力学性能和利用价值,可以利用于要求相对较低的部件。

据日本报道,生产制造再生短CF能耗仅为新CF的17%,CO2排放量为新CF的14%。回收处理的碳纤维与新碳纤维相比,生产成本相对较低,可以以相对低的价格推向市场,扩大碳纤维的应用领域。

图 碳纤维材料


2. 环保价值

在碳纤维增强热固性复合材料中,树脂基体固化后形成三维交联网状结构,常规条件下不溶于溶剂,也无法自然降解。如果不进行回收处理,将会造成环境污染,并且随着碳纤维用量增加,污染将会越来越严重。

图 每生产1Kg碳纤维时的排放和环境影响


二、碳纤维回收方法介绍



1. 物理回收

即机械粉碎回收法。机械粉碎回收法作为比较早被研究的一种物理回收方法,主要依靠机械设备,通过机械力将热固性树脂及其复合材料通过碾碎、压碎或切碎等方式,获得尺寸不一的块体颗粒、短纤等物质。具有工艺简单、不产生污染物等优点。虽然机械粉碎回收法操作简单,可回收不同长度的短纤及复合材料粒子,但是纤维在回收过程中受到的破坏较大,无法得到长纤维。

图 碳纤维材料


2. 化学回收

溶剂分解法:利用碳纤维耐化学腐蚀的特点,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。该方法工艺简便,有利于进一步实现产业化。常用溶剂为离子液体或熔融盐。

图 溶剂分解碳纤维


高温热裂解法:热解法是当今唯一已经实现商业化运营的碳纤维增强复合材料的回收方法,这种工艺是在高温下使复合材料进行降解,以得到表面干净的碳纤维,同时还可以回收部分有机液体燃料。但是碳纤维由于受到高温和表面氧化等作用,碳纤维的力学性能降低的幅度比较大,这将使碳纤维的再利用受到一定的影响。


微波热分解法:微波条件下对复合材料进行处理,通过碳纤维吸收微波能量从内部加热树脂。这样能够更快地分解树脂以复原碳纤维,缩短整体的处理时间。并且相比于其他热分解技术设备要求更少,但是微波作用可能对纤维强度和力学性能造成一定的影响。

图 碳纤维材料


流化床热分解:通过高温的空气热流对热固性树脂基复合材料进行高温热降解,处理过程充分利用降解过程产生的热量,通过旋风分离器得到填料颗粒和表面干净的纤维。虽然用流化床分解法回收可得到比较干净的碳纤维,但由于这种工艺受高温、砂粒磨损等影响,导致了碳纤维长度变短和碳纤维力学性能下降,因而也将影响所回收碳纤维的实际应用范围。


超/亚临界流体法:超/亚临界流体是指温度及压力处于临界点或其附近的流体。流体在超/亚临界状态下,密度、黏度、溶解度、热容量、介电常数、化学活性等性质发生急剧变化。利用流体在超临界条件下具有高活性,强溶解性,优异的流动性、渗透性、扩散性等性质,对聚合物基复合材料进行降解。这种方法能够很好的保留原始碳纤维的力学性能,但树脂基体残留较多,存在分离不彻底的问题。

图 碳纤维材料


3. 能量回收

即焚烧处理。废弃物通过焚烧处理,将有机物转化为热能或其他能力加以利用的方法。工艺简单,设备成本低。但是燃烧产生的气体及灰分的处理易造成环境污染。且复合材料的燃点较高,需要油、煤等引燃和助燃,造成资源浪费。


4. 其他回收方法及发展状况

图 其他方式回收方法及现状


三、主要碳纤维回收企业技术现状



1. 碳纤维再生工业公司

碳纤维再生工业公司(CFRI)创立了热解法由废CFRP回收碳纤维的独有技术,其特点是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6成的能源,而所回收的碳纤维强度可达原生碳纤维的80%以上。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。

图 热解法回收碳纤维流程


2. 西门子中央研究院

西门子中央研究院采用溶剂分解回收的方法,在200℃和水的存在下对CFRP废材施压并进行加热,使其中的树脂转化成低相对分子质量的水溶性醇类,从而回收碳纤维。所用溶剂不会破坏环境,所需能量比制造新的碳纤维要少得多,而且能回收CFRP中的碳纤维织物或纤维等原形,以便进一步加工成新的CFRP制品,并几乎保留原有的力学性能。


3. 德国萨克森纺织研究所(STFI)

STFI从事对碳纤维和CFRP生产过程中所产生的多种废料再利用进行研究,并将回收的碳纤维应用于加工非织造布。其研究的再生碳纤维可充分保持原有特性,并以长度50~100mm的形式加以利用。同时该所还开展用碳纤维正品与再生碳纤维形成共混网材的技术研发,以提高综合使用性能、耐变形性能和耐破裂强度等。


四、碳纤维回收面临的技术难题

  1. 废料的收集、分类、处理困难:废弃CFRP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;

  2. 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;

  3. 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。


五、总结

随着碳纤维的大量使用,碳纤维复合材料的回收再利用已成为一个迫切需要解决的问题。目前我国虽然有部分科研院所开始了相关研究,但整体水平与国外仍有不小差距,且尚未实现商业化运作。相信在不久的将来,碳纤维的回收利用一定会实现商业化,技术水平追上或赶超其他国家。



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