1碳纖維復合材料回收技術

碳纖維復合材料（CFRP）因其優(yōu)異的性能，如耐腐蝕、抗疲勞、高比強度和比模量以及良好的可設計性，在航空航天、汽車行業(yè)及風電產業(yè)等領域得到了廣泛應用。然而，熱固性碳纖維復合材料廢棄物的大量堆積不僅占據(jù)了工業(yè)用地，而且污染環(huán)境，因此其回收再利用技術成為國內外研究熱點。

CFRP的回收技術主要分為機械回收、熱解回收、化學回收以及一些其他類型的回收方法。CFRP回收技術的發(fā)展及優(yōu)缺點如圖1所示。

圖1：CFRP回收技術的發(fā)展及優(yōu)缺點

2rCF新型的回收策略

除了CFRP廢料之外，另一種常見的廢料類型為在制造階段產生的干纖維。這些廢纖維主要來源于邊角料、筒子末端以及部分布邊。據(jù)估算，干纖維在CF廢物總量中占據(jù)了約40％的比例。鑒于它們尚未被嵌入至任何聚合物基體中，因此干纖維展現(xiàn)出了與vCF相同的特性。鑒于這一大量寶貴廢料的產生，研究人員積極致力于開發(fā)新型的回收策略，包括但不限于將CF紡制成紗線、制造無紡布，以及采用回收CF與原生CF的混合方式，來生產非卷曲預浸料織物。

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1）基于rCF混紡紗線

在特定的框架條件下，將材料加熱至280℃并保持30分鐘，成功制備出所需的復合材料。研究顯示，混合過程中的空氣混合步驟有效提升了條子與紗線的均勻性。然而，此混合過程亦對碳纖維（CF）造成了更為顯著的損害，表現(xiàn)為CF在紗線中的整體長度有所縮短。對紗線機械性能的深入分析揭示，未經(jīng)空氣混合處理的紗線展現(xiàn)出更高的韌性，這主要歸因于制備過程中減少了斷裂纖維的數(shù)量并保持了纖維的總長度。進一步研究發(fā)現(xiàn)，纖維的初始長度對紗線性能存在不利影響，因其直接關聯(lián)到紗線結構中加工后纖維的最終長度。具體而言，采用80毫米CF制備的紗線展現(xiàn)出最長的平均纖維長度，進而賦予其更優(yōu)越的韌性。同樣，由80毫米CF與PA6共同制成的單向（UD）復合材料，其拉伸強度高達800MPa，在同類制備紗線中表現(xiàn)最優(yōu)。

Hengstermann等人深入探究了初始纖維長度與混合比例對梳理加工后紗線性能及特性的影響。他們通過調整梳理機的各項參數(shù)，包括梳理輥間的距離及針布規(guī)格，并依據(jù)30％、50％及70％的體積比，手動混合40毫米與60毫米兩種長度的CF與PA6纖維。經(jīng)過梳理得到的CF／PA6纖網(wǎng)，隨后經(jīng)歷并條與飛輪機紡紗等工序，最終制成混合紗線。在加工過程中，還需精細調整牽伸與紡紗參數(shù)，如喂入速率、牽伸比、羅拉材料及加捻數(shù)等，以減少對CF可能造成的損害。研究結果表明，纖維的初始長度與CF?含量均對梳理網(wǎng)、條子及紗線的最終特性產生顯著影響。與40毫米CF制成的紗線相比，采用更長CF制成的紗線表現(xiàn)出更佳的排向性、更低的毛羽量、更高的韌性及更低的伸長率。這主要得益于較長纖維在梳理過程中更易實現(xiàn)對齊，且受損與損失程度較低。此外，紗線中更長CF的存在及PA6體積的增加，均促進了纖維間的內聚力與條子紡紗質量的提升。研究還發(fā)現(xiàn)，CF在紗線中的取向、CF長度及紗線捻度均對UD復合材料的最終拉伸強度產生積極影響。總體而言，纖維長度與紗線捻度與所開發(fā)復合材料的整體強度之間呈現(xiàn)出反比關系，這主要歸因于它們對復合材料中CF最終含量與長度的影響，以及熱壓過程中聚合物滲透的調節(jié)作用。

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圖2：制備rCF／PA6混紡的梳理工藝

為了減少對紡紗過程中碳纖維（CF）的進一步損傷，Xiao等人報告了卡網(wǎng)碳纖維增強熱塑性（CWT）板材的開發(fā)，該板材可直接應用于鑲嵌工藝。該策略涉及將長度為60毫米的CF廢料與具有核殼結構的聚酰胺（PA）纖維混合，其中外殼由聚酰胺6（PA6）-聚乙烯（熔點136℃）共聚物構成，芯材為聚酰胺66（PA66）?；旌线^程中，CF與PA纖維的混合物以20％、30％和40％的CF體積分數(shù)進行配比，隨后通過梳理形成梳理網(wǎng)。在110℃下，通過拉伸和壓延工藝對梳理網(wǎng)進行穩(wěn)定化處理，過程中基體PA纖維的外層熔化，從而在纖網(wǎng)中生成一定的粘合結構，最終生產出CWT片材。值得注意的是，拉伸過程（30-60％）對CW T片材中短纖維CF的更好對齊起到了關鍵作用。在280℃和5-9MPa的壓力條件下，采用壓縮成型方法將開發(fā)的板材用于面板成型。所得壓縮片材的拉伸模量高達45.6GPa。CWT中CF含量的增加提升了拉伸強度和模量水平，同時拉伸比的增加也有助于提高主要縱向的拉伸強度。

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a）用于CF／PA梳理網(wǎng)熱粘合的部分熔化PA6纖維的拉伸和壓延工藝，b）拉伸工藝對短纖CF對準的影響

2）基于rCF的非織造布和預浸料

另一種回收廢碳纖維的有效途徑是將其應用于無紡布網(wǎng)的生產中，這種方法展示了在高附加值產品中回收利用廢碳纖維的巨大潛力。英國的EGLCarbonFibre公司已成功實現(xiàn)年產能為250噸的rCF無紡布氈的工業(yè)化生產，并進行了優(yōu)化處理，這些氈在汽車行業(yè)具有廣泛應用。

圖3．a）EGL Carbon Fibre?公司的設備，b）EGL Carbon Fibre?生產的碳纖維／熱塑性無紡布墊

在連續(xù)的篩網(wǎng)上，水分形成了片狀結構。為了提升纖維在溶液中的分散效果及優(yōu)化無紡布的處理流程，混合物中特別引入了羧甲基纖維素（CMC）。隨后，無紡布歷經(jīng)環(huán)氧樹脂的雙重壓縮與傳遞模塑（RTM）工藝處理。本項研究揭示了兩個重要發(fā)現(xiàn)：其一，rCF／PP非織造布所制成的熱塑性復合材料，其整體機械性能相較于熱固性復合材料呈現(xiàn)較低水平。此現(xiàn)象歸因于纖維表面存在的浸潤層，該層與熱固性環(huán)氧樹脂具有更高的相容性，而非熱塑性PP基質。其二，由干法無紡布制備的復合材料，相較于濕法樣品制備的復合材料，展現(xiàn)出更高的機械性能。這主要得益于梳理工藝在干法非織造布中對纖維的有效對齊，以及濕法加工過程中CMAC對纖維的附著，后者作為雜質存在，阻礙了CF在后續(xù)加工中的均勻滲透。此外，研究還指出，通過工藝形成的rC F／PET條（重量比為60：40）可用于預浸料的制備。該過程中，條子首先接受鰓處理以優(yōu)化纖維排列，隨后通過平行組裝10條條子并進行熱處理，制成預浸帶。隨后，利用PET長絲進行縫合，最終制成非卷曲碳纖維織物。對制備的預浸料進行機械特性分析時，發(fā)現(xiàn)其性能低于商業(yè)CF／PET預浸料。具體而言，由短回收纖維制備的樣品在0°和0°／90°鋪層方向上的拉伸強度分別為180.7MPa和260.5MPa，拉伸模量為34.2GPa；而商業(yè)CF／PET50：50樣品的對應值分別為445.0MPa、38.0GPa，凸顯了商業(yè)預浸料的卓越性能。

3結論與未來展望

本文回顧了碳纖維增強復合材料（CFRC）的多種回收方法，并深入探討了干燥制造過程中產生的碳纖維廢料的處理策略。在此基礎上，熱解與機械加工技術因其工業(yè)化應用潛力而備受矚目。然而，當前研究仍致力于提升再生纖維的性能，力求其特性能夠無限接近原生碳纖維。

未來研究應聚焦于以下幾個方面：一是探索利用回收纖維生產復合材料的新方法；二是優(yōu)化纖維與基體間的界面相互作用；三是持續(xù)改進回收工藝。此外，開發(fā)以回收纖維為原料的無紡布與紗線等增值產品也是未來的重點方向。對于干碳纖維廢料處理，混紡紗線與非織造布產品的開發(fā)展現(xiàn)出良好前景，但提高產品機械性能仍是當前面臨的注要挑戰(zhàn)。

綜上所述，碳纖維基產品的回收領域正處于快速發(fā)展階段，其在推動高科技纖維循環(huán)經(jīng)濟方法建立方面將發(fā)揮關鍵作用。因此，未來需加大研究力度，以提升纖維質量并降低回收過程對環(huán)境的負面影響。