高性能纖維由于具有優(yōu)于普通纖維的優(yōu)異物理、化學(xué)性能，近年來在航空航天、汽車、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展十分迅速。與此同時(shí)，高性能纖維強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕性能好等特性也決定了其制品廢棄處理和再利用難度更大。廢棄的高性能纖維制品如不能妥善處理或再利用，既是對(duì)環(huán)境的污染，亦是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。
尤其是對(duì)占碳纖維市場(chǎng)90%以上的碳纖維復(fù)合材料，其回收再利用技術(shù)研究和應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。
碳纖維復(fù)合材料廢棄物主要為生產(chǎn)過程廢棄物以及經(jīng)使用后報(bào)廢的廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在將碳纖維加工成最終制品的過程中就約有30%的纖維在各個(gè)工序中被浪費(fèi)，這意味著目前每年在生產(chǎn)過程中廢棄的碳纖維高達(dá)2.4萬t。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄碳纖維通過切斷制成短纖維、非織造布等容易回收，而碳纖維復(fù)合材料廢棄后回收則難度大、成本高。
日本早在2006年就開始開發(fā)碳纖維再生技術(shù)，并成功開發(fā)出可控制回收碳纖維（RCF）長度，并可除去金屬雜質(zhì)和樹脂殘?jiān)康偷脑偕祭w維技術(shù)。目前，發(fā)達(dá)國家已有具備工業(yè)化RCF生產(chǎn)能力的企業(yè)，包括日本碳纖維再生工業(yè)公司，東麗、東邦Tenax和三菱麗陽公司，德國CFK Valley Recycling、ELG Carbon Fiber公司，美國Carbon Conversions公司、MIT LLC公司，德國寶馬和美國波音公司等。
CFK Valley Recycling的產(chǎn)業(yè)化RCF生產(chǎn)線（1分選；2熱解；3表面處理；4切割；5分銷）
此外，日本精細(xì)陶瓷中心（JFCC）與大同大學(xué)、信州大學(xué)、靜岡大學(xué)，德國西門子中央研究院、RWTH Aachen大學(xué)紡織技術(shù)研究所、薩克森紡織研究所（STFI）、Karl Mayer 公司，美國Adherent Technologies公司、華盛頓州立大學(xué)，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均已致力于RCF生產(chǎn)技術(shù)的研究。
MIT LLC公司用RCF生產(chǎn)的汽車零部件
RCF制成絎縫非織造材料及用于寶馬i3和i8的CFRP
從回收方法來看，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料廢棄物材料成份及特性，目前國內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料廢棄物的方法主要包括化學(xué)回收、能量回收和物理回收 3 種方式，其中，用于回收廢棄物中價(jià)值較高的碳纖維的方法主要為化學(xué)回收法。化學(xué)回收法根據(jù)回收技術(shù)和設(shè)備又可分為流化床回收工藝、熱裂解回收工藝及超臨界流體回收工藝 3 種。熱裂解回收工藝是目前最主要的工業(yè)化RCF生產(chǎn)工藝，是在無氧情況下，通過高溫（400 ～ 500 ℃）將預(yù)處理后的復(fù)合材料中的樹脂分解、去除（碳纖維、填料等不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維或其它材料的回收。樹脂分解后成分以苯酚為主，還可進(jìn)行酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂的制造。
ELG Carbon Fibre公司RCF產(chǎn)品
由于熱裂解工藝通常需要進(jìn)行預(yù)粉碎，因此通過該工藝得到的RCF通常為短纖維或進(jìn)一步加工成的非織造材料，日本JCMA回收廠聯(lián)合東麗株式會(huì)社、日本帝人集團(tuán)和日本三菱麗陽株式會(huì)社，研制出不需要預(yù)粉碎就可進(jìn)行熱解過程的RCF生產(chǎn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有60 t/a的回收能力。
除此之外，由于常用的熱裂解工藝在回收過程中難免對(duì)纖維造成損傷，因此如何以更低的性能損失實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值的碳纖維回收還是該領(lǐng)域的一個(gè)主要難題。美國ATI公司通過低溫化學(xué)處理去除樹脂以及一些污染物，再經(jīng)真空高溫分解剩余的樹脂，獲得了99%純度的纖維。西班牙巴利亞多利德大學(xué)和英國諾丁漢大學(xué)的研究表明，流體體系及堿性催化劑可促進(jìn)樹脂的降解，提高反應(yīng)速率，通過改變流體速率和堿性催化劑比例，實(shí)現(xiàn)了在15分鐘內(nèi)降解95%以上樹脂的回收方法，且回收纖維強(qiáng)度可保持原纖維85% ~ 99%的強(qiáng)度。
隨著研究的深入和技術(shù)水平進(jìn)步，一些回收技術(shù)聲稱RCF的機(jī)械性能已經(jīng)可達(dá)到原生碳纖維水平。如從熱固性樹脂的固化出發(fā)，Connora Technologies公司開發(fā)了一種名為Recyclamine®的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，固化后的環(huán)氧樹脂具有可被酸分解的縮醛鍵，從而使得最終的聚合物三維網(wǎng)絡(luò)具有酸降解的性質(zhì)，因此其碳纖維復(fù)合材料可在100 ℃的乙酸中分解，實(shí)現(xiàn)碳纖維的100%重復(fù)利用。酸溶液中和后溶解的聚合物可從溶液中沉淀出來，回收為具有熱塑性的聚合物。
Recyclamine® 技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳纖維的100%重復(fù)利用 |
