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科技前沿

废弃碳纤维复合材料的再生利用
来源:中国航空报  2016-05-19 15:33:45
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原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3083
  碳纤维增强树脂基复合材料 (Carbon Fiber Reinforced Polymer,以下简称CFRP)具有轻质、高强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计和成型工艺性好等优点,在航空航天、体育器材、风电叶片、建筑补强、交通工具等领域得到了广泛应用。CFRP多采用热固性聚合物(环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等)作为基体树脂,其固化成型后形成三维交联网状结构,无法再次模塑或加工,难以处理。随着CFRP的应用越来越广泛,废弃的CFRP也越来越多,废弃物的回收利用成为产业界和社会面临的新问题。CFRP在制备过程中将产生大约30%的边角废料,而第一代采用碳纤维的部分飞机即将达到25~30年的服务期,越来越多的飞机将进行报废,产生大量CFRP废弃物。废弃的风机叶片、火车、公路车辆、船艇、运动商品中的所有CFRP都会达到寿命终端。目前,全球丝束碳纤维每年的产量已经超过2.7万吨。与廉价的玻璃纤维增强塑料不同,CFRP中含有大量昂贵的碳纤维,直接将其填埋虽然经济省钱,却浪费了昂贵的碳纤维。面对多重压力,开发低成本、绿色化废弃碳纤维复合材料回收及再利用技术刻不容缓。
 
  废弃CFRP的回收方法
 
  在废弃CFRP的来源中,一种为生产过程中产生的废弃物,比如边角废料、过期的预浸料等,另一种为寿命达到使用年限的废弃物。不同来源的废弃物其组成也不同,废弃物中通常含有纸、热塑性树脂、胶粘剂、金属等杂质,这进一步加大了其回收处理的难度。废弃CFRP的回收方法主要有物理回收、能量回收和化学回收。物理回收法主要是将废弃CFRP破碎成颗粒或碾磨成粉末直接用作填料或添加到铺路材料、水泥中,这种方法处理方式简单、成本较低,但得到的大多数是低价值的再生产品,对于含有高价值碳纤维的CFRP来说并不适用。能量回收是通过焚烧CFRP废弃物中的有机物并利用其能量的方法,该回收方法工艺简单,但是CFRP废弃物在焚烧过程中会释放有毒气体,造成二次污染。化学回收法既能得到高价值的碳纤维,又能将树脂作为材料或能量回收,是最适合处理废弃碳纤维复合材料的方法。化学回收法依据是是否采用介质,主要包括热解法和溶剂分解法。
 
  一、热解法
 
热解是利用高温将复合材料中的树脂分解成有机小分子从而回收碳纤维的方法,依据反应气氛、反应器和加热方式的不同分为热裂解、流化床、真空裂解及微波裂解等方法。热裂解法不使用化学试剂,易于进行工业化放大,也是世界上唯一实现CFRP回收商业化运营的方法。流化床法是指在流化床反应器中通入氧气或空气,反应温度控制在450~550℃使树脂分解,得到的回收碳纤维在气旋作用下流动并与金属分离,树脂分解产生的气体被重新作为燃料补充流化床运转过程中耗费的能量。英国诺丁汉大学的皮克林团队在流化床反应器中回收废弃的纤维复合材料方面做了大量的工作。流化床反应器内的温度比热裂解更均匀,更易控制,它可以处理含污染物较多的废弃CFRP,同时回收的纤维表面没有积炭残留,但纤维长度和力学性能损失严重。
 
  二、溶剂分解法
 
  溶剂法是指利用溶剂和热的共同作用使聚合物中的交联键断裂,分解成低分子量的聚合物或有机小分子溶解在溶剂中,从而将树脂基体和增强体分离。根据反应条件和所用试剂不同,溶剂法可以分为硝酸分解法、氢化分解法、超/亚临界流体分解法、常压溶剂分解法和熔融盐法。
 
  硝酸法利用了硝酸的强氧化性和强酸性,可以在低于100℃的低温分解CFRP,得到的碳纤维表面干净无积炭残留,碳纤维力学性能损失不大,但处理时间较长,操作危险性比较高,同时会产生一些氮氧化物气体。超/亚临界流体法是指利用溶剂在超/亚临界状态下的扩散和溶解能力将CFRP废弃物的树脂基体分解,从而得到干净的碳纤维的方法。这种方法能够很好地保留原始碳纤维的力学性能。常压分解法是指在常压条件下采用溶剂将复合材料中的树脂基体降解,使之变为可溶性的物质,从而使复合材料中的各组分易于分离、回收再利用。它避免了高压反应频繁操作的问题,工艺简便,有利于进一步实现产业化。
 
  面临的挑战
 
  与玻璃纤维相比,碳纤维具有更高的经济价值,因此废弃CFRP的化学回收过程更具商业吸引力。但是目前CFRP回收利用的商业化仍面临着许多问题。
 
  废料的收集、分类、处理困难:废弃CFRP的来源与组成复杂,如果不加分类直接处理就会造成产品质量不可控,因此需要加强废料产生厂家与回收处理厂家之间的合作。
 
  回收碳纤维的质量控制:废料中碳纤维的来源复杂,需要建立相应的分级和评价方法,对回收碳纤维进行正确的成本和性能评估,确定适合的市场。
 
  回收碳纤维的再应用:回收碳纤维多为短切纤维,利用其导电、导热性能将作为热塑性树脂的填料是其应用的一种,但附加值相对较低。需要研究开发针对回收碳纤维具有更高附加值的产品,提高整个回收过程的经济效益。
文章来源:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=3083