碳纖維增強聚合物（CFRP）是一種由碳纖維和熱固性樹脂組成的高性能材料，具有優異的強度重量比和耐化學性，可替代鋼或鋁。但其制造過程能耗高、碳排放量大（每千克碳纖維排放25kg二氧化碳，樹脂超4kg ），且90%的廢棄碳纖維被填埋。盡管生物基碳纖維和回收技術正在探索中，樹脂的耐化學性仍使回收面臨挑戰。

 

當前復合材料回收主要聚焦纖維回收（如熱解法），但會損傷纖維性能且無法實現樹脂閉環利用。雖然熱解、溶劑分解等方法可回收纖維，但環氧胺樹脂的完全回收仍需突破解聚產物分離技術。最新研究如釕催化解聚和堿介導法雖能獲取雙酚-A（BPA），但胺硬化劑回收仍不完善，需開發更全面的CFRP循環方案。溶劑分解法（如超臨界水/有機酸處理）能有效分解環氧CFRP樹脂，實現材料再加工，但現有研究缺乏對解聚單體的定量分析和精準鑒定。

 

創新成果

 

美國國家可再生能源實驗室（NERL）Gregg T. Beckham教授團隊展示了醋酸如何高效地解聚由多種胺類固化劑制成的環氧胺熱固性樹脂，使其快速溶解，并通過醚鍵（C-O）和胺鍵（C-N）的斷裂獲得高產率的雙酚A (BPA)和胺類產物。實現了樹脂組分近乎定量的碳閉合，并且回收的纖維在樹脂解構后仍保持了其機械性能。對來自多個行業的材料的解構證明了這種方法的廣泛適用性，只需2小時的反應即可提供清潔纖維。該反應規模擴大至80.0g，并利用消費后回收的碳纖維(rCFs)制備了復合板，并證明其在兩次回收后仍能保持其機械性能。

 

工藝建模和技術經濟分析表明，該方法具有成本效益，再生碳纖維的最低售價為每公斤1.50美元，而生命周期評估顯示，該工藝的溫室氣體排放量比原生碳纖維生產低約99%。相關研究成果以“Acetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling”為題發表在Nature上。

核心創新點

 

高效解聚回收單體：研究發現醋酸能夠高效地解聚用于碳纖維增強聚合物（CFRPs）中的脂肪族和芳香族環氧胺熱固性樹脂，將其轉化為可回收的單體，同時獲得清潔的碳纖維。

 

廣泛的適用性：該方法不僅適用于模型熱固性材料的解構，還成功應用于多個領域的CFRPs材料，包括航空、海洋和體育用品等，能夠從這些實際應用的材料中回收干凈、完整的可復用碳纖維，為不同類型的CFRPs的回收提供了一種通用的解決方案。

 

保持機械性能：通過對回收碳纖維（rCFs）的單纖維拉伸測試等分析，發現經過醋酸解聚處理后的碳纖維在機械性能上幾乎不受影響，與原始碳纖維相比，其拉伸模量等關鍵性能指標保持相當。

 

多次回收利用：研究進一步展示了回收碳纖維的可再用性，通過將回收纖維制成復合材料面板，并進行了兩次額外的回收循環，結果表明在整個回收過程中，碳纖維的強度得以維持，這為實現碳纖維的多次循環利用提供了新的思路。

 

數據概覽

圖1.脂肪族環氧胺熱固性材料的乙酰分解

圖2.脂肪族和芳香族環氧胺CFRP的醋酸分解

圖3.消費后材料的醋酸分解反應

圖4.CFRP醋酸分解過程的工藝模型以及經濟和環境評估

 

成果啟示

 

這項研究提出了一種有效的環氧胺解聚方法，可回收單體，同時提供高質量、清潔的再生碳纖維(rCFs)，可用于新的應用。模型交聯材料被完全解構，最快可在1小時內回收原始纖維。醋酸分解法已被證明對多種消費后和工業后材料有效。初步放大生產為rCFs的循環性驗證提供了材料，其制備的dCFC板的抗彎強度與重量比高于鋼和鋁，且在兩次回收過程中保持良好。全面的工藝建模提供了經濟和環境影響指標，表明該技術前景廣闊。