“双碳”背景下构建循环型碳纤维产业体系必要性研究

苏东艳，高 岩，王 薇，王叶梅，胡大川，史小军

(1.常州市科技资源统筹服务中心，江苏 常州 213001；2.常州市生产力发展中心，江苏 常州 213131；3.江南石墨烯研究院，江苏 常州 213000)

0 引言

“十四五”期间是我国实现高质量发展，推进“碳达峰、碳中和”(以下简称“双碳”)工作的关键时期。碳纤维是世界已知强度最高、最为轻质的纤维材料。高强度碳纤维通常与环氧树脂等聚合物基体结合，制成碳纤维增强复合材料(CFRP)，在飞机、汽车、风电叶片等领域的减重、减排方面发挥着重要作用。在全球“双碳”目标背景下，以光伏和风电等清洁能源产业的加速发展，将使碳纤维产业迎来新的发展契机。2021年，全球碳纤维总需求为11.8万吨，预计将以每年10%左右的速度快速增长[1]。然而，随着产业高速发展，碳纤维产业废弃物堆积引发的资源浪费和环境污染问题亟待关注。碳纤维废弃物主要有两大类：一类是生产过程中产生的碳纤维废弃物；另一类是寿命终止的碳纤维增强复合材料(CFRP)制品。如果这两类废弃物得不到妥善处理，短期内，在生产制造环节产生的碳纤维废弃物堆积，会造成资源浪费，为企业发展带来困扰；长期来看，达到使用寿命，大量报废的飞机、汽车、风电叶片部件的堆积，将危及人类地球环境安全。当前，行业普遍采用的填埋与焚烧处理方式，都会危及产业可持续发展。采用适宜的回收再利用技术，对在生产过程产生的碳纤维废弃物以及到达使用寿命的废弃CFRP制品进行回收，制成再生碳纤维(Recycled Carbon Fiber)，重新用于飞机、汽车、3D打印等领域，不仅能够大幅降低碳纤维生产成本，有效降低碳排放，还有助于在碳纤维产业链从上游生产到下游应用形成全链路闭环，有助于产业健康可持续发展。本文介绍了当前碳纤维废弃物的主要回收再利用路径及其环保影响，分析了构建循环型碳纤维产业体系的主要驱动因素，认为构建循环型产业体系是实现碳纤维产业高质量发展的必由之路。

1 当前碳纤维废弃物主要处理方法及节能减排效应分析

当前，行业对碳纤维废弃物普遍采用的填埋和焚烧处置方式，其带来的环保风险会危及产业的高质量可持续发展。填埋处理简单、低成本，但欧美国家已颁布法规予以限制；焚烧处置可以回收废料中的部分能量，但会产生大量危害环境的污染物，长期而言，不具可持续性。利用适宜的回收再利用技术，将碳纤维废弃物制成再生纤维，重新用于汽车、航空等应用，不仅能有效降低碳排放，还能通过生成再生碳纤维，创造新的高价值产品。目前，采用3种主要回收再利用技术：机械法、热解法和化学法，如图1所示[2]，相比原生碳纤维的生产过程，可显著降低生产成本和排放。但目前报道的方法，一般需要高温、高压、高腐蚀性条件，而且由于回收产出率较低，再生纤维难以达到与原生纤维等同的机械性能和物理性能，大部分技术路径处于理论和实验室阶段。针对两大类碳纤维废弃物——生产过程中产生的废弃物、寿命终止的CFRP废弃制品，将各类回收方法的优缺点、产业化现状及其环保影响对比如下。

图1 碳纤维废料及碳纤维增强复合材料废弃品主要的处理路径[2]

1.1 干式碳纤维废弃物回收再利用

在碳纤维生产过程中产生的边角料废弃物，被称作干式碳纤维(Dry Carbon Fiber)，由于尚未与任何聚合物基体相结合，具有与原生碳纤维类似的机械性能和经济价值。这类纤维属于高价值纤维，约占碳纤维总体废弃物的40%。但废弃的干式纤维通常为短纤维，具有脆性，延伸率、剪切强度较低，因此，一些研究人员将干式碳纤维与一些热塑性纤维，如PA6、PP和聚酯纤维混合，纺织成混合纱线。德累斯顿大学的纺织机械与高性能材料技术研究所在该领域开展了多年研究，但尚未找到大规模产业化报道。另外一种方法是将干式碳纤维制造成非织造毡垫。英国ELG Carbon Fibre Ltd.已优化了再生碳纤维非织造毡垫的工艺，实现了产业化，产能达250 t/a，主要应用于汽车领域。

1.2 碳纤维复合材料废弃制品回收再利用

对碳纤维复合材料(CFRP)废弃制品的回收，主要有3种方法：机械法、高温回收法和化学回收法。

1.2.1 机械法

机械回收法采用破碎、研磨、铣削或粉碎技术，将材料加工成50 μm～20 mm的粒子，再从粒子混合物中，将纤维、聚合物、金属和填料筛分出来，研磨成粉末，经过重新制成粒状、再融化、重新模塑加工等循环再利用工艺，重新制造成某种复合材料。相比原生碳纤维183～286 MJ/kg的生产能耗，机械法制造再生碳纤维所需能耗为0.27～2.03 MJ/kg。机械法的其他优点包括适于处理大量堆积的碳纤维废弃物，工艺过程相对简单，可同时回收碳纤维和树脂材料，且环保无污染；缺点是回收后的纤维短，机械性能显著降低，且质地粗糙，一致性较差，限制了再生纤维的下游应用，经济价值相对较低。

1.2.2 高温回收法

高温回收法通过高温加热，对碳纤维进行回收，最常见的两种方法有热解法和流化床法。

热解法在350～700 ℃高温和无氧惰性气氛(如氮气)下，将基体材料分解成固体混合物(纤维和填料)、石油产品(苯、甲苯、乙苯、酚类)、气体(氢气、甲烷、一氧化碳和二氧化碳)和多环芳烃烧焦物。根据不同的分子质量，对气体和液体收集，用作不同生产阶段的二次资源。热解法再生碳纤维所需的能耗，仅为原生碳纤维能耗的10%～50%，能够显著降低碳排放。但由于需采用后续氧化反应去除纤维表面的烧焦物，会在一定程度上降低材料的抗张强度、弹性等机械性能，因此，仍需不断优化热解工艺和氧化参数，以便尽可能达到与原生碳纤维相同的机械性能。一些改进的热解法包括热蒸汽热解法、微波辅助热解法等。近年来，在所有回收技术中，热解法是目前世界上真正实现工业化的回收方法，但通常用于在非结构性应用领域替代原生碳纤维，用作汽车、航天航空领域的内饰面板或轻型体育器械等。目前，世界上已有少数几家公司实现了产业化：英国ELG碳纤维有限公司(现名Gen 2 Carbon，2 000 t/a)、日本回收碳纤维公司(1 000 t/a)和美国MIT-RCF公司(500 t/a)[3]。英国ELG碳纤维有限公司热解法回收的碳纤维，保持了原生纤维95%的强度、99%的弹性模量。上海交通大学开发了一种新型热解碳纤维回收技术，能使碳纤维回收率达到90%，该技术是目前我国较为成熟的技术，年处理量在200 t以上[4]。

流化床热分解工艺利用硅砂和热空气，从聚合物基体中分离碳纤维。英国诺丁汉大学开发的流化床回收工艺将废弃碳纤维复合材料连续加入流化床反应器，用空气做流化气体，在超过500 ℃高温下，使基体树脂发生氧化分解。相比其他方法，流化床热解回收的碳纤维，具有较好的硬度和表面氧含量，但抗张强度会降低20%。据测算，流化床工艺所需能耗仅为原生碳纤维生产所需能耗的3%～10%。利用流化床法回收的碳纤维复合材料，通过压塑成型、注塑成型、热压罐成型等工艺，可制造成再生碳纤维复合材料，重新用于汽车领域。由于能耗低、减重带来的燃油降低，流化床法能显著降低温室气体排放。但由于回收的纤维较短，回收率低，流化床回收法大多处于实验室研发阶段，英国诺丁汉大学流化床回收工艺已进入中试阶段[5]。

1.2.3 化学回收法

化学回收法采用不同类型的反应溶剂，将聚合物基体分解为可溶解的低分子量产品。反应的最终产品是纤维、无机填料及溶解的解聚树脂和单体。为此，在不同的温度和压力条件下，采用近临界和超临界溶剂，如水、醇、氨、有机溶剂，使树脂的去除效率达95%～100%。化学回收法的优点是回收纤维的长度、机械性能保持最好，回收纤维的经济价值最高。但需要采用特定反应设施，在高温、高压下运行。由于投资大，运营成本高，加工率低，阻碍了化学法的工业化。目前，美国Vartega公司利用低能耗化学回收法生产的再生纤维，具有与原生碳纤维相同的机械性能，但所需能耗相比原生碳纤维降低95%，成本降低40%～50%。其再生纤维可加工成聚酰胺碳纤维热塑性塑料(Polyamide Carbon Fiber-reinforced Thermoplastics)，重新用于制造汽车零部件、乐器和体育休闲用品(曲棍球棒)。该公司正与福特公司、BASF、美国橡树岭国家实验室等多家机构开展一个为期两年的项目，旨在研发性能始终如一的再生碳纤维增强热塑性塑料，重新用于汽车行业。据Vartega公司测算，其每回收1 t碳纤维，就能减少13.4 t二氧化碳排放；每增加1 t用于汽车轻量化的(再生)碳纤维，能够进一步减少47.7 t的二氧化碳排放[6]。

1.2.4 不同回收方法的成本及环保效益分析

相比原生碳纤维，对生产过程中干式碳纤维和废弃CFRP制品的回收，能够大幅降低生产成本和所需能耗，带来良好的经济和环保效益，这正是碳纤维回收再利用研发的主要意义所在。对于各类碳纤维回收技术的总体评价，需要综合考虑生产成本、环保影响，以及最终回收纤维的经济价值。国外一些文献在这方面有一些较为深入的研究[2]。

将当前普遍采用的碳纤维废弃物的两种处置方法——填埋和焚烧，与3种回收方式进行对比研究表明，填埋和焚烧处置几乎不产生任何处理成本，但需要向政府或行业缴纳相应的处置费用。在各类回收方法中，机械研磨法加工成本最低，但会对纤维造成严重损伤，再生纤维的最终价值较低，限制了其下游应用。相比机械法，热解回收和化学超临界水回收方法加工成本相对较高，这是因为这两种方法相对能耗高，需要较高设备投资。但微波热解法的能耗仅占传统热解法的1/3，可显著降低成本。超临界水化学法获得的再生纤维具有最高的经济价值，但由于目前加工速度低下，限制了其市场应用。

分析每种回收方法对环境影响，可根据两个因素得出结果：一是回收工艺对全球变暖的潜在影响(GWPP)；二是再生纤维替代原生纤维后所避免的环境影响(GWPA);二者之间的差异，即为该回收工艺的总体环境影响(GWPTOT)。经过研究对比，机械法回收纤维较低的价值，使其具有较低的GWPA指数，表明回收纤维替代原生的潜能较低。相比之下，热解法、微波热解法和超临界水回收方法具有较高的GWPA指数，这是因为回收了副产品，并将回收的再生碳纤维重新用于制造复合材料结构件。这个过程因再生碳纤维替代原生纤维，显著地降低了对环境的影响。

2 构建循环型碳纤维产业体系的驱动因素分析

尽管碳纤维产业回收再利用技术大多处于实验室研发阶段，但由于具有显著的节能减排、成本和环境效益，在市场需求和政策驱动下，碳纤维产业将加快建设循环型产业体系。

2.1 “双碳”背景下的减排增效驱动

碳纤维价格昂贵，主要原因是其生产过程高成本、高能耗、高排放。以PAN基碳纤维制造为例，生产流程从PAN原丝制造开始,需要经过预氧化(200～300 ℃)、碳化(1 000～1 500 ℃)、石墨化(2 500～3 000 ℃)等多个高温热处理工程，生产能耗高达183～286 MJ/kg。此外，这个过程产生了各类需要妥善处理的气体，如氰化氢(HCN)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氮氧化物(NOX)和挥发性有机污染物。相比之下，生产其他结构性材料，如玻璃纤维和不锈钢所需的能耗分别仅为13～32 MJ/kg和110～210 MJ/kg[2]。据统计，全球每年约有24 000 t碳纤维废弃物被填埋或焚烧处理，而其潜在价值约6.3亿美元。相比标准的原生碳纤维制造，回收技术生产再生碳纤维可将生产成本降低70%，碳排放降低90%～95%[7]。另据统计，2022年，全球碳纤维产业供需缺口达24 000 t，这一缺口可通过再生碳纤维得到弥补。再生碳纤维显著的经济和减排效益，已引发各国研究人员开展回收再利用技术研究。碳纤维废弃物回收再利用技术正成为一个新兴研究领域，在构建循环产业体系中发挥重要作用。

2.2 “双碳”背景下的环保驱动

碳纤维复合材料(CFRP)广泛用于航空、汽车、风电叶片的减重、节能减排应用。例如，在空客飞机(A350)或波音飞机(Boeing Dreamliner)上，碳纤维复合材料的使用量达52%。假设不采取任何回收再利用技术，按照飞机和风力叶片等领域CFRP部件平均20～30 a的使用寿命，到2035年，预计航空业每年寿命终止CFRP废弃品约为23 360 t;到2050年，等待回收的航空CFRP废弃品将为北美162 083 t、欧洲144 724 t和亚洲102 500 t。与之类似，预计到2050年，寿命终止风力机组产生的碳纤维复合材料废弃品将达483 000 t，其中，北美95 000 t、欧洲190 000 t和亚洲146 000 t[8]。由于碳纤维与性能极为稳定的环氧树脂结合，经填埋处理的CFRP废弃物无法生物降解，将永远存留于地下。当前，普遍采用的焚烧方式，也会产生严重的环保问题，极大地影响行业可持续发展。

2.3 市场驱动

由于显著降低能耗，成本和环境效益显著，随着碳纤维回收技术的不断优化，再生碳纤维市场规模将不断扩大。波音公司每年产生的CFRP废弃品达180万吨，已与ELG碳纤维公司达成协议，向该公司供应复合材料废料。目前，Alaska 737-9 MAX机舱的内侧壁面板，采用源自波音777X的再生碳纤维复合材料制备，具有与原生碳纤维复合材料相同的隔音降噪性能，能使每架飞机减少13.6 kg，显著降低油耗。东丽工业公司(日本)、ELG碳纤维有限公司(英国)、Carbon Conversions Inc.(美国)、Shocker Composites LLC.(美国)和Vartega公司(美国)正在从航空废料中采购纤维，将再生碳纤维用于航空部件。SGL集团(德国)与宝马(德国)成立合资公司SGL Automotive Carbon Fibers GmbH & Co. KG(德国)，旨在将再生碳纤维用于制作各类汽车零部件，宝马i3和i8车顶使用了再生碳纤维[9]。

再生碳纤维可广泛用于国防、汽车和航空领域，未来，再生碳纤维下游市场发展潜能将非常广阔，经济效益极为可观，如表1所示[10]。

表1 全球碳纤维市场与再生碳纤维市场发展的对比分析[10]

2.4 政策驱动

构建绿色、低碳循环发展的产业体系，已成为各国共识。欧美国家已颁布法规，限制碳纤维复合材料的填埋处理。例如，欧洲委员会发布的“废弃物填埋指令”“车辆寿命终止指令”“废弃电子设备指令”等明确要求，需对报废产品进行回收再利用。“车辆寿命终止指令”要求，汽车制造商在车辆设计时，就应考虑部件寿命终止问题。在使用寿命终止时，回收和再利用的汽车部件应达到95%，循环使用的汽车部件达到85%。我国也高度重视碳纤维废弃物的回收再利用问题。例如，《关于加快推进碳纤维行业持续健康发展的指导意见(征求意见稿)》要求，促进碳纤维复合材料回收再利用，重点骨干企业综合能耗和排放指标接近世界先进水平，建立循环型碳纤维产业体系。《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》明确，积极开展新品种废弃物循环利用，推动废碳纤维材料等新型废弃物回收利用。工信部颁布的《产业关键共性技术发展指南(2017年)》，将“碳纤维复合材料废弃物低成本回收及再利用技术”，确定为174项优先发展的产业关键共性技术之一。《“十四五”循环经济发展规划》将“构建资源循环型产业体系，提高资源利用效率”列为第一项，凸显了这项工作任务的重要性。构建循环碳纤维产业体系，已成为产业高质量发展的必然趋势。

3 结语

构建循环型产业体系，是我国转变经济发展方式、实现高质量发展的必然选择。由于回收再利用工艺复杂，产出率较低，再生纤维难以达到与原生纤维等同的机械性能和物理性能，目前大多数回收再利用技术尚处在研发阶段，热解法是目前世界上真正实现工业化的回收方法。碳纤维废弃物的循环再利用具有显著的节能减排、经济和环境效益。在市场需求和政策驱动下，碳纤维产业将加快构建循环型产业体系，从而使产业链从上游生产到下游应用形成闭环，以最少的资源消耗和废物排放，取得最大的经济效益，从根本上实现产业可持续发展。构建循环型碳纤维产业体系，是产业高质量发展的必由之路。