碳纤维复合材料废弃物的回收利用形势

刘 洁 刘丽芳 俞建勇

(东华大学a.纺织学院;b.现代纺织研究院，上海，200051)

碳纤维复合材料废弃物的回收利用形势

刘 洁a刘丽芳a俞建勇b

(东华大学a.纺织学院;b.现代纺织研究院，上海，200051)

随着碳纤维需求量的逐年大幅度增长，关于碳纤维的回收利用已经成为全世界共同关注的科技问题。总结了现有的碳纤维回收方法，对超临界水溶剂分解法进行分析，并提出再生碳纤维的利用方向。

碳纤维，废弃物，回收方法，超临界水溶剂分解

碳纤维作为一种轻质高强的高性能材料而被广泛应用于航天航空、汽车、建筑、铁路、通讯、医药器材等行业［1］。随着新型飞机和汽车的大量投产及日常生活中“低碳”观念的普及，碳纤维的需求量正在逐年大幅度增加。2007年12月发表的市场研究指出，世界碳纤维需求量在2006—2014年间将成倍增长［2］。随着潜在需求的增加，在不久的将来，航空航天用碳纤维的需求量预计将每年增加10% ～17%［3］。表1为全球碳纤维需求量预计表［4］。

表1 全球碳纤维需求量预计表 (单位:t)

尽管碳纤维有众多的优点，但是仍有一个不可回避的问题——碳纤维不可降解。随着其应用量的增加，随之而来的污染问题也日趋严重。在欧洲，每年有将近1 100 t的碳纤维复合材料废弃物等待处理。波音公司指出，未来20年退役飞机的数量将接近6 000架［5］，而退役飞机是碳纤维复合材料废料的一个重要来源。因此，碳纤维的回收利用是一个极具吸引力的市场，它不仅以经济影响为向导，同样由于其对环境的正面影响而受到各国政府的关注。2010年 Karen Wood［6］在《高性能复合材料》杂志上发表的文章指出，碳纤维回收利用的成本低于使用新碳纤维的生产成本。这为碳纤维废弃物的回用研究提供了极大的动力。

1 碳纤维复合材料废弃物回用现状

目前，针对碳纤维复合材料废弃物的回用问题，各工业大国都有自己的科研体系，目的是创建最高效和最经济可行的碳纤维回用体系。到目前为止，关于碳纤维回用的研究主要包括粉碎碳纤维增强塑料(CFRP)，高温分解碳纤维复合材料，催化分解或在真空环境下分解碳纤维复合材料，流化床处理碳纤维复合材料等。根据不同的回用方法，本文对现有参与研究碳纤维复合材料回收利用的公司进行了细致的分类，如表2所示。

在表2所列的方法中，有一些已经投入生产使用，但是大部分的研究还停留在试验阶段。主要存在如下问题:

表2 碳纤维废弃物回用方法

(1)可回用碳纤维复合材料的来源主要集中在生产废料(包括边角料、废弃的零部件和失效的预浸渍件)、损坏和淘汰的复合材料零部件等，如何快速有效地将不同种类的碳纤维复合材料废料进行分类和回收，是首先要考虑的问题。

(2)从碳纤维回用现状来看，主要是应用热加工来融化树脂，以制取碳纤维丝束。但是，这种方法很容易导致再加工的产品性能大大降低。大部分回收的材料，其性能和价格在市场上没有竞争力，这使得生产商更倾向于选择未使用过的原材料。

(3)有些回收方法虽然可以成功地将碳纤维从复合材料中分离出来，但是会导致碳纤维长度变短，纤维性能降低［7］，而且这一过程产生的附加废料同样会造成环境污染。

正因为如此，虽然世界上最大的两家飞机生产商波音公司［8］和空客公司已经开始带头致力于各种碳纤维废料的回用方法研究，但是到目前为止，还没有一套世界公认的完整的碳纤维回收体系，这也是我们所面临的最大挑战。

2 最新研究介绍

如何去除碳纤维复合材料中的基体相，有效回收碳纤维增强体?英国诺丁汉大学［7］和法国ICMCB化学研究所［9］经过大量试验，开发了超临界水溶剂分解法，由于其具有广泛的适用性和回收产品的高性能品质而为碳纤维回收领域引领了一个新的方向。该方法的有效性已经被证实，目前正在为其产业化做进一步的研究。

超临界水溶剂分解法的基本原理是，采用特制的高温高压反应器，当复合材料和水进入该系统后，其中的水将变为超临界水;在超临界水的作用下，复合材料中的基体部分(主要是环氧树脂)被氧化形式气态产品，如氢气、甲烷、二氧化碳等，碳纤维因而被提取出来。此过程所获得的产品有气态的能量、水和固体(碳纤维织物)。利用这项技术可以减少废物污染，保护环境，同时回收的碳纤维具有较高的强度和刚度。

3 碳纤维废弃物回用展望

对于回用的碳纤维，目前常用的方法是制成短切纤维再利用，但是在性能上没有竞争优势，使用的领域也有局限性。因此，后续研究工作除了要继续加强对碳纤维提取的研究外，还应该根据市场需求，考虑将回用碳纤维重新纺成连续的碳纤维纱［10］，或者直接做成其他更有优势的碳纤维增强体结构，使其拥有更具竞争力的性能优势;同时进一步扩大回用碳纤维的应用领域，提高回用碳纤维的使用比例。

［1］周传雷，艾辉，闫永君.碳纤维产业现状及发展前景［J］.化学工程师，2010(8):42-43.

［2］ALLEN B E.Characterization of reclaimed carbon fibers and their integration into new thermoset polymer matrices:Existing composite fabrication techniques［D］.2008.

［3］RED C.The outlook for CFRP in aerospace and defense applications［C］.Proceedings at the 38th SAMPE International Technical Conference.Dallas，TX，November 6-9，2006.

［4］ROBERTS A.Carbon fiber＆ precursor outlook，2008－2015［C］.Carbon Fiber 2007 Conference.Washington，D.C.，December 4-7，2007.

［5］SMOCK Doug.Recycled carbon fibers demonstrate excellent properties［N］.Design News，2010-04-02.

［6］WOOD Karen.Carbone fiber reclamation:going commercial［J］.High Performance Composites，2010(3):1-2.

［7］MARSH Geroge.Carbon recycling:a soluble problem［J］.Reinforced Plastics，2009(53):22-23，25-27.

［8］SMOCK Doug.Boeing develops technologies to recycle carbon fibers［N］.Design News，2010-06-21.

［9］AYMONIER Cyril.RECCO:une nouvelle filière pour le recyclage des composites à fibres de carbone(CFRC)［J］.Infos Polymeres，2009(67).

［10］WARRIOR Nicholas.Recycling carbon fibre.Collaborative Research and Development:Materials and Structures［D］.2010.

Situation of recycling carbon fiber composite

Liu Jiea，Liu Lifanga，Yu Jianyongb
(Donghua University a.College of Textiles; b.Textile Research Institute)

With the growing demand for carbon fiber，the recycling of carbon fiber has become the world’s scientific and technological issue of common concern.The existing carbon fiber recovery methods were summarized in this paper，and the“Supercritical Water Decomposition Method”was emphatically analyzed.Furthermore，the research direction for recycling carbon fiber was also proposed.

carbon fiber，waste，recycled method，Supercritical Water Decomposition

TS102.9

A

1004－7093(2011)06－0026－03

2010－11－18

刘洁，女，1984年生，硕士。研究方向为碳纤维废弃物的回收利用。