1碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）因其優(yōu)異的性能，如耐腐蝕、抗疲勞、高比強(qiáng)度和比模量以及良好的可設(shè)計(jì)性，在航空航天、汽車行業(yè)及風(fēng)電產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，熱固性碳纖維復(fù)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(shù)成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。

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

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圖1：CFRP回收技術(shù)的發(fā)展及優(yōu)缺點(diǎn)

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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)非卷曲預(yù)浸料織物。

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(fù)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(duì)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(zhǎng)度有所縮短。對(duì)紗線機(jī)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?dú)w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(zhǎng)度。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，纖維的初始長(zhǎng)度對(duì)紗線性能存在不利影響，因其直接關(guān)聯(lián)到紗線結(jié)構(gòu)中加工后纖維的最終長(zhǎng)度。具體而言，采用80毫米CF制備的紗線展現(xiàn)出最長(zhǎng)的平均纖維長(zhǎng)度，進(jìn)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(fù)合材料，其拉伸強(qiáng)度高達(dá)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(zhǎng)度與混合比例對(duì)梳理加工后紗線性能及特性的影響。他們通過調(diào)整梳理機(jī)的各項(xiàng)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(dòng)混合40毫米與60毫米兩種長(zhǎng)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(jī)紡紗等工序，最終制成混合紗線。在加工過程中，還需精細(xì)調(diào)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(duì)CF可能造成的損害。研究結(jié)果表明，纖維的初始長(zhǎng)度與CF 含量均對(duì)梳理網(wǎng)、條子及紗線的最終特性產(chǎn)生顯著影響。與40毫米CF制成的紗線相比，采用更長(zhǎng)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(zhǎng)率。這主要得益于較長(zhǎng)纖維在梳理過程中更易實(shí)現(xiàn)對(duì)齊，且受損與損失程度較低。此外，紗線中更長(zhǎng)CF的存在及PA6體積的增加，均促進(jìn)了纖維間的內(nèi)聚力與條子紡紗質(zhì)量的提升。研究還發(fā)現(xiàn)，CF在紗線中的取向、CF長(zhǎng)度及紗線捻度均對(duì)UD復(fù)合材料的最終拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響。總體而言，纖維長(zhǎng)度與紗線捻度與所開發(fā)復(fù)合材料的整體強(qiáng)度之間呈現(xiàn)出反比關(guān)系，這主要?dú)w因于它們對(duì)復(fù)合材料中CF最終含量與長(zhǎng)度的影響，以及熱壓過程中聚合物滲透的調(diào)節(jié)作用。

圖2：制備rCF／PA6 混紡的梳理工藝

為了減少對(duì)紡紗過程中碳纖維（CF）的進(jìn)一步損傷，Xiao等人報(bào)告了卡網(wǎng)碳纖維增強(qiáng)熱塑性（CWT）板材的開發(fā)，該板材可直接應(yīng)用于鑲嵌工藝。該策略涉及將長(zhǎng)度為60毫米的CF廢料與具有核殼結(jié)構(gòu)的聚酰胺（PA）纖維混合，其中外殼由聚酰胺6（PA6）-聚乙烯（熔點(diǎn)136℃）共聚物構(gòu)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?jǐn)?shù)進(jìn)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(duì)梳理網(wǎng)進(jìn)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(jié)構(gòu)，最終生產(chǎn)出CWT片材。值得注意的是，拉伸過程（30-60％）對(duì)CW T片材中短纖維CF的更好對(duì)齊起到了關(guān)鍵作用。在280℃和5-9 MPa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(dá)45.6 GPa。CWT中CF含量的增加提升了拉伸強(qiáng)度和模量水平，同時(shí)拉伸比的增加也有助于提高主要縱向的拉伸強(qiáng)度。

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(duì)短纖CF對(duì)準(zhǔn)的影響

2）基于rCF的非織造布和預(yù)浸料

另一種回收廢碳纖維的有效途徑是將其應(yīng)用于無紡布網(wǎng)的生產(chǎn)中，這種方法展示了在高附加值產(chǎn)品中回收利用廢碳纖維的巨大潛力。英國(guó)的EGL Carbon Fibre公司已成功實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)能為250噸的rCF無紡布?xì)值墓I(yè)化生產(chǎn)，并進(jìn)行了優(yōu)化處理，這些氈在汽車行業(yè)具有廣泛應(yīng)用

圖3．a(chǎn)）EGL Carbon Fibre 公司的設(shè)備，b）EGL Carbon Fibre 生產(chǎn)的碳纖維／熱塑性無紡布?jí)|

在連續(xù)的篩網(wǎng)上，水分形成了片狀結(jié)構(gòu)。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?xì)v經(jīng)環(huán)氧樹脂的雙重壓縮與傳遞模塑（RTM）工藝處理。本項(xiàng)研究揭示了兩個(gè)重要發(fā)現(xiàn)：其一，rCF／PP非織造布所制成的熱塑性復(fù)合材料，其整體機(jī)械性能相較于熱固性復(fù)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(rùn)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(zhì)。其二，由干法無紡布制備的復(fù)合材料，相較于濕法樣品制備的復(fù)合材料，展現(xiàn)出更高的機(jī)械性能。這主要得益于梳理工藝在干法非織造布中對(duì)纖維的有效對(duì)齊，以及濕法加工過程中CMAC對(duì)纖維的附著，后者作為雜質(zhì)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(yù)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(jìn)行熱處理，制成預(yù)浸帶。隨后，利用PET長(zhǎng)絲進(jìn)行縫合，最終制成非卷曲碳纖維織物。對(duì)制備的預(yù)浸料進(jìn)行機(jī)械特性分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)其性能低于商業(yè)CF／PET預(yù)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(qiáng)度分別為180.7MPa和260.5 MPa，拉伸模量為34.2 GPa；而商業(yè)CF／PET 50：50樣品的對(duì)應(yīng)值分別為445.0 MPa、38.0GPa，凸顯了商業(yè)預(yù)浸料的卓越性能。

本文回顧了碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(chǎn)生的碳纖維廢料的處理策略。在此基礎(chǔ)上，熱解與機(jī)械加工技術(shù)因其工業(yè)化應(yīng)用潛力而備受矚目。然而，當(dāng)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(yīng)聚焦于以下幾個(gè)方面：一是探索利用回收纖維生產(chǎn)復(fù)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(jìn)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(chǎn)品也是未來的重點(diǎn)方向。對(duì)于干碳纖維廢料處理，混紡紗線與非織造布產(chǎn)品的開發(fā)展現(xiàn)出良好前景，但提高產(chǎn)品機(jī)械性能仍是當(dāng)前面臨的注要挑戰(zhàn)。

綜上所述，碳纖維基產(chǎn)品的回收領(lǐng)域正處于快速發(fā)展階段，其在推動(dòng)高科技纖維循環(huán)經(jīng)濟(jì)方法建立方面將發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，未來需加大研究力度，以提升纖維質(zhì)量并降低回收過程對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。