01引言

復合材料，特別是碳纖維增強塑料（CFRP），在現代工業中扮演著至關重要的角色。它們廣泛應用于航空、汽車制造和可再生能源等行業，主要因為它們優異的強度和輕質特性。然而，這些材料的環境影響和回收難度一直是業界面臨的主要挑戰。特別是在航空和汽車行業，對于減少重量以提高能效的需求推動了對這些高性能材料的依賴，同時也加劇了環境負擔。隨著舊復合材料產品，如風力渦輪機葉片，逐漸達到使用壽命，如何有效地回收和處理這些材料成為一個迫切需要解決的問題。

02纖維回收的復合材料背景

復合材料，尤其是碳纖維增強的聚合物，因其高強度重量比而被廣泛應用于多種工業產品中。它們不僅輕盈而且堅固，使得它們成為金屬的理想替代品，尤其是在需要減輕重量以提高能效的應用中，如航空航天和高性能汽車領域。然而，這些材料的主要問題在于它們難以回收。大多數碳纖維復合材料是由熱固性樹脂制成，一旦固化，就不能像熱塑性塑料那樣容易重新熔化和塑形。這導致了廢棄復合材料的積累和環境問題。

目前，碳纖維復合材料的回收方法主要可歸納為三類：物理回收法、化學處理法、熱解處理法。不論使用哪種回收方法，回收得到的碳纖維都很難維持連續纖維狀態，長度多小于120mm?？筛鶕w維的長度區間將回收碳纖維再利用的路徑分為以下三種：

A.纖維長度<6mm，作為填料加入復材原材料中；

B.6mm<纖維長度<70mm，制備成碳氈或SMC材料；

C.70mm<纖維長度<120mm，保持纖維取向，制備成熱塑帶材。

市場上的回收碳纖維主要以粉末、顆粒、絲狀等形式存在。纖維以粉末或顆粒形式去使用時，回收碳纖維性能可達到原生碳纖維性能的90%-95%。合理利用回收碳纖維，能夠在降低制品成本的同時解決碳纖維制品的廢棄問題和環保問題。當下，各國都開始重視碳纖維材料的回收利用，并不斷加大前沿技術研發和關鍵技術攻關力度。

圖 現有回收技術主要路線

03纖維回收的技術前沿

-華盛頓州立大學在可回收復合材料方面的創新

華盛頓州立大學的研究團隊，在Jinwen Zhang教授的領導下，開發出了一種新型的可回收碳纖維復合材料。這種材料不僅保持了傳統碳纖維復合材料的高強度特性，而且可以在高溫、高壓的環境下分解，從而實現了回收再利用。這一創新使得碳纖維復合材料的應用更加環保和可持續。該研究團隊與能源部的太平洋西北國家實驗室的科學家們合作，他們的研究成果已發表在《大分子快報通訊》雜志上。

圖 Jinwen Zhang教授及其所在實驗室

可回收復合材料背后的技術華盛頓州立大學的研究團隊采用了一種創新技術，使用環氧氟聚合物作為傳統環氧樹脂的替代品來開發這種可回收的復合材料。環氧氟聚合物的獨特之處在于，它結合了環氧熱固性塑料的堅硬耐用特性和熱塑性塑料在高溫下的自愈和可塑特性。這種雙重特性使得材料不僅堅固耐用，而且在達到一定溫度時能夠分解，從而實現回收。在實驗中，該團隊發現，在加壓蒸餾水中將溫度提高到160攝氏度以上時，這種材料能夠分解，釋放出可再次利用的碳纖維和其他化合物。當溫度進一步提升到180攝氏度時，材料能夠完全溶解。這種新材料的研發，為復合材料的制造和應用提供了新的可能性，使其在不損失性能的情況下變得可回收。影響和應用華盛頓州立大學的這項創新研究有可能徹底改變依賴復合材料的各個行業。這種新型可回收復合材料的開發，為提供更加可持續和環保的材料選擇鋪平了道路。特別是在航空和汽車產業，這種材料的應用可以減少環境影響，同時保持產品的性能和效率。此外，這種材料的應用還可能擴展到其他領域，如風能和海洋運輸。除了減少廢物和提高材料的可持續性之外，這種新型材料的應用還可能促進新的設計和制造方法的開發，進一步推動行業的創新和進步。

04市場環境

英國的ELG碳纖維公司指出，在制造過程中，材料往往是手工堆放的，碳纖維片實際尺寸的近三分之一在修剪后未被使用。因此，大量的碳纖維最終沒有成為產品，而是被送往垃圾填埋場。每年大約有62000噸未利用的碳纖維廢棄物被累積起來，其中飛機和風能行業的廢料最多。如果不采取任何行動，到2035年，預計飛機行業將產生23600噸未使用的碳纖維廢料，風力渦輪機行業將產生另外48.3萬噸。這兩個領域產生的碳纖維廢料的總積累震驚了世界。

圖 全球碳纖維廢料趨勢

纖維廢料對環境的影響這一全球性問題，已經實施了幾種立法方法。例如，歐洲聯盟實行了一項限制碳纖維廢物處置的政策，同時鼓勵將廢物用作替代資源。構建了一個五步驟的廢物處理層次，最上面的步驟是避免廢料，其次是再利用和回收多余的碳纖維殘留物，然后是各種回收方法，最后是廢料處理。此外，限制填埋和焚燒作為碳纖維廢棄物處理方法的一部分，旨在促進材料的循環利用。另外一個角度，碳纖維是環保的，并具有更長的生命周期。然而，碳纖維生產制備所消耗的能源幾乎是鋼鐵的14倍。這種超高的能源強度需求導致了大量的溫室氣體排放，因此，回收再利用過程可能是減少這種環境影響的最佳方法之一，同時滿足全球對碳纖維這種材料的工業應用的需求。

航空航天廢料是全球回收碳纖維市場的主要來源。2021年，航空航天廢料市場占據了全球市場近五分之三的份額，并預計在2022年至2031年間將繼續保持領先地位。這一細分市場預計將以12.3%的年復合增長率快速增長。由于碳纖維在制造最新戰斗機中的廣泛使用，航空航天廢料提供了豐富的二手碳纖維來源。這種回收不僅具有商業價值，還有助于環保，推動了從試點規模到工業過程的發展。在應用領域，汽車和運輸部門在整個預測期內將保持其領先地位。這些部門在全球市場中占據了三分之一以上的最大份額，預計將在2022年至2031年間繼續主導市場。由于對高速、輕重量和高剛度等性能的需求，回收碳纖維在多種運輸設備中得到廣泛應用，預計將加速市場增長。在地域分布上，北美預計將在預測期內加強其市場領導地位，占總市場的近五分之二。

美國建筑業的發展增加了對回收碳纖維的需求，而加拿大汽車行業的擴張也促進了對此類產品的需求。與此同時，歐洲市場預計將以12.6%的年復合增長率快速增長，德國成為該地區的主要市場。歐洲的領先汽車公司，如奧迪、寶馬和梅賽德斯-奔馳，也在通過制造先進汽車來推動回收碳纖維的使用和增值。航空航天廢料是全球回收碳纖維市場的主要來源。2021年，航空航天廢料市場占據了全球市場近五分之三的份額，并預計在2022年至2031年間將繼續保持領先地位。這一細分市場預計將以12.3%的年復合增長率快速增長。由于碳纖維在制造最新戰斗機中的廣泛使用，航空航天廢料提供了豐富的二手碳纖維來源。這種回收不僅具有商業價值，還有助于環保，推動了從試點規模到工業過程的發展。在應用領域，汽車和運輸部門在整個預測期內將保持其領先地位。這些部門在全球市場中占據了三分之一以上的最大份額，預計將在2022年至2031年間繼續主導市場。由于對高速、輕重量和高剛度等性能的需求，回收碳纖維在多種運輸設備中得到廣泛應用，預計將加速市場增長。在地域分布上，北美預計將在預測期內加強其市場領導地位，占總市場的近五分之二。

美國建筑業的發展增加了對回收碳纖維的需求，而加拿大汽車行業的擴張也促進了對此類產品的需求。與此同時，歐洲市場預計將以12.6%的年復合增長率快速增長，德國成為該地區的主要市場。歐洲的領先汽車公司，如奧迪、寶馬和梅賽德斯-奔馳，也在通過制造先進汽車來推動回收碳纖維的使用和增值。

圖 碳纖維回收生態

日本：日本早在2006年就開始開發碳纖維再生技術，并成功開發出可控制回收碳纖維(RCF)長度，去除金屬雜質，并保持樹脂殘渣量很低的碳纖維再生技術。主要的日本碳纖維再生公司有東麗、東邦（隸屬于帝人集團）、三菱麗陽公司……

德國：德國CFK Valley Recycling、Holy Technologies……

美國：美國Carbon Conversions公司、MIT LLC公司、Vartega、美國波音公司……

英國：SHD Composite Materials有限公司（英國斯萊福德），ELG碳纖維公司……

中國 ：北京化工大學賈曉龍教授團隊、南通復源新材料（上海交大楊斌副教授團隊）……

 

領域內研究主力

 

05結論

總體來說，華盛頓州立大學的研究為解決復合材料回收這一長期挑戰提供了重要的突破。通過開發一種既強韌又可回收的碳纖維復合材料，這項研究不僅有助于減少環境足跡，還為材料科學領域帶來了新的可持續發展方向。這項技術的應用潛力巨大，預示著未來在復合材料設計和制造方面的重大變革。隨著進一步的研究和開發，這種可回收復合材料有望在多個領域發揮重要作用，為可持續性目標做出重要貢獻。

信息來源：compositestoday.com