降低回收能耗 节约建设资源 碳纤维复材回收再利用亟待产业规模化
■ 上海交通大学 方忆超 张雪 刘媛 杨斌
碳纤维增强热固性树脂和热塑性树脂复合材料, 正越来越多地替代金属材料，广泛应用于飞机、汽车、风力发电、油田开采、电力设施、建筑等领域。航空业已把碳纤维复合材料在飞机上的使用量作为技术先进性的重要标志之一。在汽车领域，作为实现轻量化目标的主要技术，碳纤维复合材料代替钢材能够使汽车零部件重量减少50%以上，显著降低油耗以及二氧化碳的排放量。
然而，碳纤维复合材料面临的最大挑战就是回收再利用。把复合材料中的碳纤维分离回收并重新利用，同时将热固性树脂以能源或材料方式回收，不仅对节约建设资源，响应国内外保护环境、节能减排、可持续发展的号召具有重要意义，也是环境相关法规的强制要求。
随着欧盟2000/53/EC指令关于报废车辆处理法规的正式实施，要求将报废车辆中95%以上的工业材料进行回收再利用，传统的填埋处理方式将会完全被禁止，因此市场上迫切需求更多具有产业规模的碳纤维复合材料回收技术及再利用技术。
摒弃传统回收方法，
发展可持续性回收技术
碳纤维复合材料废弃物处理方法一般有填埋、焚烧、机械粉碎及分离回收等四种。填埋、焚烧已经被明令禁止，而机械粉碎技术是将碳纤维复合材料废料粉碎再用作填料的回收方法，这种方法粉碎能耗高、粉尘大、使碳纤维无法发挥优异的力学性能而造成严重资源浪费，也不具备长期可行性。因此，目前国内外公认的最具有可持续发展性的是分离回收技术，即通过热分解或者溶剂分解等化学方式把复合材料中的热固性树脂分解成小分子物质，从而把碳纤维分离出来的方法。
碳纤维复合材料分离回收技术包括热解分离技术和溶解分离技术两大类。
热解分离技术
基于不同供热方式或分解氛围，热解分离技术又分为热裂解、流化床热解和微波热解等几种。
热裂解技术是在无氧环境中，把复材废料在400~
热裂解技术显著优点在于回收得到的碳纤维性能保持率高，能保持原始材料80%～90%以上的机械性能。此外，热裂解技术还具有操作稳定性高、生产能力调节范围大等优点，这对于工业化放大生产非常有利。热裂解技术存在的挑战在于废料分解均匀性存在尺寸效应以及碳纤维表面结碳等问题。
流化床热解技术是典型的在有氧环境下，高温分解复材废料的技术，它也是焚烧固体垃圾常用的一种技术，其工艺设备和树脂分解产物与热裂解完全不同。其原理是通过高温的空气热流使树脂在流动过程中燃烧分解，处理过程充分利用树脂燃烧释放的热量，最终通过旋风分离器将表面干净且长度不同的碳纤维分离出来，被分离出来的还包括金属、其他材料的碎片。
流化床热解技术虽然在连续化、规模化方面具有工业化生产潜力，但是剧烈的流化摩擦以及热氧化环境往往导致回收的碳纤维受损严重，即使进行工艺条件的优化，再生碳纤维的力学性能也仅有新品力学性能的50%~80%。 流化床技术还存在操作复杂、运行能耗大、烟气中灰尘量大以及对废料粉碎细度要求高等特点。采用该技术无法得到具有较长尺度的再生碳纤维，因而再生碳纤维的再利用价值受到极大限制。
微波热解技术是指碳纤维复合材料受微波热辐射作用从内部被加热，从而使树脂迅速发生降解的处理方法。提取的碳纤维性能与原始纤维差别不大。该方法作为一种新开发的技术，具有清洁环保等优点，但是其降解产物对设备的影响以及纤维在微波的作用下性能的损失有待进一步研究。
溶解分离技术
基于不同溶剂性质，溶解分离技术通常分为普通溶剂溶解法和超/亚临界流体溶解法。
普通溶剂溶解技术是在加热100~
超/亚临界流体溶解技术是利用流体在超临界条件下具有高活性、强溶解性以及优异的流动性、渗透性、扩散性等性质，对聚合物基复合材料进行降解，从而分离出碳纤维的方法。虽然具有回收过程清洁污染小、回收的碳纤维性能较好等优势，但是超临界条件要求比较苛刻，大部分超临界流体要求高温高压，对反应设备的要求比较高且造价昂贵，安全系数低。所以，超临界流体技术回收热固性树脂复合材料还停留在实验室阶段，工业化放大尚存在很多的问题。
综上所述，热裂解技术是目前唯一可行的碳纤维复合材料废弃物回收处理工业化技术，降低回收能耗、提高再生碳纤维品质以及保持碳纤维长度是研发人员进行技术优化和新技术开发的主要目标。
再生碳纤维循环再利用初步商业化
迄今为止国内外研究人员不仅开发了以上各种分离回收技术，还对再生碳纤维的再利用进行了深入研究，开发了再生短纤维、长纤维、与其他连续纤维混编织物以及非连续碳纤维毡等增强复合材料。再生碳纤维通常用来与易于回收的热塑性树脂（聚丙烯、聚酰胺等）复合，已经初步开展商业化应用，可以制造汽车的内外饰、医疗器械、电子电器乃至飞机内饰件等。
再生碳纤维循环再利用需要解决表面毛糙难以被直接应用问题，此外，再生碳纤维表面性质和纤维-基体间的相互作用也需要进一步的研究。为了促进再生碳纤维的循环利用，有必要进一步开发类似于新碳纤维制备的层状模塑料、团状模塑料、层压板及预浸料等材料，也需要大力开发再生碳纤维的取向技术和连续化技术。
中外合力推进复材回收商业化
欧洲、美国及日本等非常重视碳纤维复合材料回收技术的研究，近20年来有许多公司和大学分别在波音、空客等航空公司，福特等汽车制造公司以及政府的大力资助下，积极开展各种废料分离回收技术以及再生碳纤维再利用技术研发。
国内上海交通大学从2009年开始研究开发碳纤维复合材料回收再利用技术，针对裂解法固有的缺陷，经过5年艰苦的技术攻关，成功开发了国内第一项拥有完全自主知识产权的规模化的新型裂解回收技术和装备，碳纤维复合材料废弃物的年处理能力超过200吨。与国际先进技术相比，上海交通大学的回收技术具有废弃物处理前可保留大尺寸的特点，这样既免除了废弃物切割、粉碎的工序，更重要的是保持了再生碳纤维的足够长度，提高了碳纤维再利用的价值。另外，中科院长春应化所、华东理工大学等近几年也在开展超临界流体溶解法、熔盐溶解法等碳纤维复合材料回收技术及降解机理研究。
随着人类社会对“低碳经济”和“绿色环境”发展的追求，碳纤维复合材料行业发展产生的大量废弃物亟待需要低能耗的大规模工业化回收技术进行资源化再利用。而随着碳纤维复合材料在汽车上的应用展开，基于汽车行业严格的欧盟协议和我国的相关政策规定，复材回收问题更加凸显，甚至成为制约碳纤维复合材料在汽车行业大规模应用的关键因素之一。
碳纤维复合材料回收从管理制度上，急需从建立废弃物排放、收集及回收制度；建立废弃物等级分类标准；建立再生碳纤维产品等级分类标准等方面开展工作。在回收及再利用技术上，急需研究开发效率更高成本更低的分离技术；研究开发高附加价值的再生纤维复合材料生产技术，至少可以部分替代原生纤维；研究开发易于回收的新型复合材料品种等。通过制度的完善和技术的提升，在碳纤维复材回收及再利用方面实现突破性的创新。