汽車碳纖維迎來萬噸級市場，但回收問題卻愈演愈烈

碳纖維複合材料具有重量輕，強度高，模量高，耐腐蝕等優點，受到眾多汽車企業青睞。目前，碳纖維複合材料在汽車車體和零部件中都得到了廣泛應用。如：汽車車身、內外飾、底盤系統、動力系統等等。但是隨著應用量的增加，其污染問題也會日趨嚴重。開發大規模、連續化、低成本、低能耗的回收和再利用技術迫在眉睫。

圖 汽車碳纖維市場預測（來源：賽奧碳纖維）

一、碳纖維回收的價值與意義

1. 經濟價值

碳纖維生產過程中需要消耗很多能源，因此價格比較昂貴，對其進行回收再利用一方面可以減少生產新碳纖維所需要的能源消耗，另一方面回收之後的碳纖維仍有很好的力學性能和利用價值，可以利用於要求相對較低的部件。

據日本報道，生產製造再生短CF能耗僅為新CF的17%，CO2排放量為新CF的14%。回收處理的碳纖維與新碳纖維相比，生產成本相對較低，可以以相對低的價格推向市場，擴大碳纖維的應用領域。

圖 碳纖維材料

2. 環保價值

在碳纖維增強熱固性複合材料中，樹脂基體固化後形成三維交聯網狀結構，常規條件下不溶於溶劑，也無法自然降解。如果不進行回收處理，將會造成環境污染，並且隨著碳纖維用量增加，污染將會越來越嚴重。

圖 每生產1Kg碳纖維時的排放和環境影響

二、碳纖維回收方法介紹

1. 物理回收

即機械粉碎回收法。機械粉碎回收法作為比較早被研究的一種物理回收方法，主要依靠機械設備，通過機械力將熱固性樹脂及其複合材料通過碾碎、壓碎或切碎等方式，獲得尺寸不一的塊體顆粒、短纖等物質。具有工藝簡單、不產生污染物等優點。雖然機械粉碎回收法操作簡單，可回收不同長度的短纖及複合材料粒子，但是纖維在回收過程中受到的破壞較大，無法得到長纖維。

圖 碳纖維材料

2. 化學回收

溶劑分解法：利用碳纖維耐化學腐蝕的特點，採用溶劑將複合材料中的樹脂基體降解，使之變為可溶性的物質，從而使複合材料中的各組分易於分離、回收再利用。該方法工藝簡便，有利於進一步實現產業化。常用溶劑為離子液體或熔融鹽。

圖 溶劑分解碳纖維

高溫熱裂解法：熱解法是當今唯一已經實現商業化運營的碳纖維增強複合材料的回收方法，這種工藝是在高溫下使複合材料進行降解，以得到表面乾淨的碳纖維，同時還可以回收部分有機液體燃料。但是碳纖維由於受到高溫和表面氧化等作用，碳纖維的力學性能降低的幅度比較大，這將使碳纖維的再利用受到一定的影響。

微波熱分解法：微波條件下對複合材料進行處理，通過碳纖維吸收微波能量從內部加熱樹脂。這樣能夠更快地分解樹脂以復原碳纖維，縮短整體的處理時間。並且相比於其他熱分解技術設備要求更少，但是微波作用可能對纖維強度和力學性能造成一定的影響。

圖 碳纖維材料

流化床熱分解：通過高溫的空氣熱流對熱固性樹脂基複合材料進行高溫熱降解，處理過程充分利用降解過程產生的熱量，通過旋風分離器得到填料顆粒和表面乾淨的纖維。雖然用流化床分解法回收可得到比較乾淨的碳纖維，但由於這種工藝受高溫、砂粒磨損等影響，導致了碳纖維長度變短和碳纖維力學性能下降，因而也將影響所回收碳纖維的實際應用範圍。

超/亞臨界流體法：流體在超/亞臨界狀態下，密度、黏度、溶解度、熱容量、介電常數、化學活性等性質發生急劇變化。利用流體在超臨界條件下具有高活性，強溶解性，優異的流動性、滲透性、擴散性等性質，對聚合物基複合材料進行降解。這種方法能夠很好的保留原始碳纖維的力學性能，但樹脂基體殘留較多，存在分離不徹底的問題。

圖 碳纖維材料

3. 能量回收

即焚燒處理。廢棄物通過焚燒處理，將有機物轉化為熱能或其他能力加以利用的方法。工藝簡單，設備成本低。但是燃燒產生的氣體及灰分的處理易造成環境污染。且複合材料的燃點較高，需要油、煤等引燃和助燃，造成資源浪費。

4. 其他回收方法及發展狀況

圖 其他方式回收方法及現狀

三、主要碳纖維回收企業技術現狀

1. 碳纖維再生工業公司

碳纖維再生工業公司（CFRI）創立了熱解法由廢CFRP回收碳纖維的獨有技術，其特點是以廢料燃燒時所產生的熱分解氣作為碳纖維回收工程的熱源，從而可比以往的方法節約6成的能源，而所回收的碳纖維強度可達原生碳纖維的80%以上。目前該回收產品已應用於汽車部件，可實現整車減重20%以上。

圖 熱解法回收碳纖維流程

2. 西門子中央研究院

西門子中央研究院採用溶劑分解回收的方法，在200℃和水的存在下對CFRP廢材施壓並進行加熱，使其中的樹脂轉化成低相對分子質量的水溶性醇類，從而回收碳纖維。所用溶劑不會破壞環境，所需能量比製造新的碳纖維要少得多，而且能回收CFRP中的碳纖維織物或纖維等原形，以便進一步加工成新的CFRP製品，並幾乎保留原有的力學性能。

3. 德國薩克森紡織研究所（STFI）

STFI從事對碳纖維和CFRP生產過程中所產生的多種廢料再利用進行研究，並將回收的碳纖維應用於加工非織造布。其研究的再生碳纖維可充分保持原有特性，並以長度50～100mm的形式加以利用。同時該所還開展用碳纖維正品與再生碳纖維形成共混網材的技術研發，以提高綜合使用性能、耐變形性能和耐破裂強度等。

四、碳纖維回收面臨的技術難題

廢料的收集、分類、處理困難：廢棄CFRP的來源與組成複雜，如果不加分類直接處理就會造成產品質量不可控，因此需要加強廢料產生廠家與回收處理廠家之間的合作；

回收碳纖維的質量控制：廢料中碳纖維的來源複雜，需要建立相應的分級和評價方法，對回收碳纖維進行正確的成本和性能評估，確定適合的市場；

回收碳纖維的再應用：回收碳纖維多為短切纖維，利用其導電、導熱性能將作為熱塑性樹脂的填料是其應用的一種，但附加值相對較低。需要研究開發針對回收碳纖維具有更高附加值的產品，提高整個回收過程的經濟效益。

五、總結

隨著碳纖維的大量使用，碳纖維複合材料的回收再利用已成為一個迫切需要解決的問題。目前我國雖然有部分科研院所開始了相關研究，但整體水平與國外仍有不小差距，且尚未實現商業化運作。相信在不久的將來，碳纖維的回收利用一定會實現商業化，技術水平追上或趕超其他國家。

材來自於中國汽車材料網 原作者：付正婷。艾邦高分子整理提供。

#標籤#碳纖維,複合材料,汽車#

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