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碳纤维复合材料回收再利用现状

文章来源:《合成纤维》 添加时间:2019-04-15 08:57

  碳纤维复合材料是由碳纤维与热固性树脂基体复合生产而成,废弃材料中的碳纤维很难得到妥善的回收,例如碳纤维鱼竿的高强性能及耐腐蚀性特点,使得废弃鱼竿处理非常困难。废弃物处理的相关法规在当前和以后都会要求工业材料在报废后能够得到妥善的回收,工业材料的最终回收再利用可以达到节省资源和能源的目的。本文回顾了碳纤维复合材料回收再利用的技术现状,对碳纤维复合材料回收再利用需求进行了分析及展望,碳纤维复合材料回收再利用技术的发展,将引领复合材料产业向绿色可持续的方向进步。

  1碳纤维复合材料回收再利用技术现状1.1碳纤维复合材料废弃物的回收技术概况

  碳纤维复合材料废弃物是碳纤维、碳纤维预浸料及碳纤维复合材料废弃物的总称,其处理回收方法可分为填埋、焚烧、粉碎及分离等四种。填埋和焚烧将逐渐被禁止,而粉碎法不能充分发挥碳纤维的优异性能,也将被淘汰。因此,国内外主流的最具有发展前景的回收方法是分离法,即利用热解或溶解的方法将基体树脂分解成多种小分子物质,实现碳纤维与树脂的分离,从而获得再生碳纤维的化学回收方法。其中,溶解分离法目前还处在实验室研究阶段,而热解分离法(简称热解法)由于技术先进、回收效果好、综合成本低,已被证明是可行的工业化回收技术。

  1.2热解回收技术现状

  在无氧(氮气氛围中)情况下的高温热解又称为裂解法。裂解使树脂高温分解为有机液体和有机气体,能够作为燃油或燃气进一步回收利用,同时得到表面无树脂附着的再生碳纤维。不过纤维在裂解中会被焦炭污染,因此需要在450℃以上的炉中去炭处理。处理后的碳纤维表现出更高的表面活性,但是其强度容易降低,因此处理条件对碳纤维性能至关重要。力学性能和树脂残留物之间需要有一个折中的方案,波音公司和英国ELG、美国MIT以及日本回收碳纤维协会的研究测试表明,通过合理的工艺设计,裂解法回收的碳纤维能够保持80%~90%的拉伸强度。

  在有氧情况下的代表性热解技术是英国诺丁汉大学的Pickering教授开发的流化床热解技术[2],它是通过高温的空气热流使树脂燃烧,实现树脂与碳纤维的分离,所得碳纤维虽然表面干净、无积炭残留,但是受损严重,力学强度保持率仅为50%~80%。该方法还存在工艺控制复杂等问题,目前还不能够工业化。

  此外还有在微波热辐射作用下使树脂分解的微波热解法[3],例如美国FirebirdAdvanced Materials公司等人的研究,但仍处于实验室开发阶段。目前裂解法是唯一可行的碳纤维复合材料废弃物工业化回收技术,世界上仅有的三家工业化生产公司——英国ELG Carbon Fibre Ltd(2000 t/a)、日本碳纤维回收工业公司(1 000 t/a)和美国MIT-RCF公司(500 t/a),均采用的是裂解回收技术。国内率先开展碳纤维回收研究的上海交通大学也开发了拥有自主知识产权的碳纤维复合材料废弃物裂解回收技术,并且建成了年产200 t的中试生产线。

  1.3热解回收技术发展趋势

  碳纤维复合材料废弃物的热解回收技术近年来不断进步,越来越向低成本化、精细化和联合化发展。

  低成本化:回收成本低将促进再生碳纤维的应用,在商业上形成巨大吸引力。为了进一步降低热解回收技术的成本,日本研究者采用多步热解工艺,上海交大采用将树脂热分解产物能量循环利用等措施,成功地将再生碳纤维的能耗减小到新碳纤维生产能耗的1/3以下。然而在缩短热分解回收时间以及降低生产操作成本方面,仍然需要创新的工艺和方法。

  精细化:碳纤维复合材料废弃物种类繁多,针对容易分类的、不同形态的典型废弃物,例如厚块状结构件、薄壁的钓鱼竿、细微的水磨粉以及黏湿的预浸料等,通过精细化设计,开发相应的最适回收技术及装备,从而能够更高效、低成本地处理不同种类的废弃物。

  联合化:联合化发展是指近年来国外盛行的碳纤维行业上下游企业结成联盟,协同作用联合开发回收技术的趋势。根据下游再生碳纤维使用者对性能的要求,比如纤维长度、表面活性等,碳纤维回收公司针对性地结合上游废料特性,调整碳纤维回收工艺,从而使再生碳纤维能更快地进行下游应用,促进了回收事业的发展[4]。

  2碳纤维复合材料回收再利用需求分析

  我国碳纤维复合材料在钓鱼竿、自行车、球拍等体育休闲用品领域应用量大、占比高(约29%)。例如钓鱼竿有1 000多个系列、2万多个规格,年消耗碳纤维2 000 t[5]。同时,碳纤维复合材料在风力发电、轨道交通、航空航天的使用量逐年放大,飞机制件一般寿命为20~28 a,风力叶片为20~25 a,汽车制件为10~15 a,这些产品寿命终结后,回收再利用,既是节能环保、构建可持续发展碳纤维产业链的需求,也是对国家相应政策与法规的积极响应,还具有显著经济效益。

  2.1节约资源、保护环境的需求

  碳纤维复合材料中的热固性树脂难以降解,因此填埋(占97%)和焚烧法处理必然造成严重的环境问题,且废弃物中含有大量(质量分数高达67%)高价值碳纤维被埋掉或者烧掉,造成巨大的资源浪费。欧美等国家已经颁布相关法规,填埋与焚烧方法将被全面禁止。

  2.2行业发展的需求

  随着碳纤维复合材料产业的发展,碳纤维复合材料废弃物的量不断增加。高效回收处理废弃物获得低成本再生碳纤维,再重新应用于各种高性能复合材料的制备,可构建循环发展的碳纤维产业,还可以缓解碳纤维供不应求的局面。

  2.3法律法规的要求及政策支持

  欧盟2000/53/EC报废汽车指令及我国《汽车产品回收利用技术政策》规定,自2015年开始汽车上所有材料的可回收利用率要大于95%。国家工信部2015年11月18日颁布《产业关键共性技术发展指南(2015年)》,已将“碳纤维复合材料废弃物低成本回收及其应用技术”确定为优先发展的205项产业关键共性技术之一。

  3碳纤维复合材料回收再利用展望

  随着碳纤维复合材料的大规模应用,回收再利用成为一个迫切需要解决的问题。国外很多公司很早就开始回收再利用技术的研究。我国起步较晚,虽然部分科研院所、企业开始了回收方面的研究,但与国外差别很大,且尚未实现商业化。目前,碳纤维复合材料采用热解回收技术,具有低成本化、精细化和联合化等特点。随着碳纤维复合材料产业的发展及节能环保、构建可持续发展碳纤维产业链的需求,开展回收再利用既是对国家相应政策与法规的积极响应,还具有显著经济效益。

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