Zuse Community:将碳纤维回收创新引入市场

碳纤维几乎全部由碳元素组成，它是在1 300 ℃下从聚丙烯腈聚合物中经高能耗的工艺获得的。碳纤维的密度很低，但同时具有防断裂性和稳定性。这些优良性能对于电动汽车的蓄电池箱或车身的结构部件而言是很必要的。德国Chemnitz纺织研究所(STFI)目前正与其伙伴合作，将碳纤维的静态力学强度与减振性能结合，以改善电动汽车电机的外壳。本项目由联邦经济和能源部资助研发，拟开发混合非织造布，该非织造布除含有碳纤维外，还含有其他纤维材料作为增强材料。图1所示为STFI纺织轻量化工程中心的碳纤维回收机械。

图1 STFI纺织轻量化工程中心的碳纤维回收机械(来源：Dirk Hanus)

STFI将完善现有的非织造布解决方案。该研究所回顾了15年来在再生碳纤维方面的研究。德国增强塑料联合会(AKV)的市场回顾表明，过去10年中，全球对高质量纤维的年需求量几乎翻了两番，达到约14.2万t。日益增长的碳纤维需求也使其回收技术成为人们关注的焦点。废弃碳纤维的价格约为原纤维价格的10%～20%，但碳纤维的回收需经过特殊处理。竞争性应用是再生碳纤维研究成功的关键。STFI发现这些应用不仅适用于汽车，也适用于体育休闲以及医疗技术，如断层扫描计算机组件。在断层扫描过程中，金属或玻璃纤维会在图像上投下阴影，而碳纤维并不妨碍图像的呈现，因此可以充分发挥其优势。

1 借鉴造纸技术

如果回收的碳纤维可以重新进入产品循环，二氧化碳平衡将得到改善，但碳纤维短纤的回收再利用价值较小。在此背景下，德国工业研究联合会成员Cetex公司及德国造纸研究所(PTS)，曾在一个项目研究过程中开发出一种新工艺。该工艺可生产再生碳纤维，不过到目前为止这种再生碳纤维并不适合重新利用。由于再生碳纤维较脆，采用传统的干法纺织加工方法，可加工纤维的长度至少需要达80 mm。而STFI则借鉴了造纸工业的湿法处理工艺。简言之，在湿法工艺处理后，可得到由回收碳纤维和塑料纤维制成的平垫。该工艺还可加工40 mm长的回收碳纤维短纤，生产有价值的中间产品。

碳纤维垫的制备采用了热压法，并可作为高弹性结构部件的基本材料。另外，将其与连续纤维增强带相结合，能提高半成品的力学性能。再生的碳纤维产品性能可与玻璃纤维增强塑料相比拟，在铁路和车辆建设中加以应用。目前，研究成果正被纳入RessourceTex合作网的进一步研究和开发中，该网络是一个由来自工业和学术领域的18个合作伙伴共同资助的协会。

2 应用于汽车工业

德国Thuingian纺织和塑料研究所(TITK)开发出了可供工业使用的碳纤维废料应用解决方案。其中一些开发项目已在德国SGL复合材料进行产业化生产。干废料(主要是边角料)的处理是根据内部开发的工艺进行的，开松纤维可用于不同生产工艺的非织造布加工。例如，除了将非织造布应用于宝马i3系列车顶或后座壳，TITK还建立了特殊的非织造布和片状模塑料(SMC)生产工艺。SMC是由热固树脂和增强纤维组成的热固型复合材料，用于压制纤维塑料复合材料，这种复合材料被集成用于制作宝马7系汽车的C柱的一部分。TITK特别强调开发更有效的工艺和组合程序，以使碳纤维回收材料在轻量化应用中有更好的机会，同时也考虑成本因素。因此，目前的重点是在热塑性塑料板材和型材挤出工艺中使用碳纤维回收纤维。其目的是在一个有效的工艺步骤中实现短纤维和连续纤维相结合共同增强复合材料。