1碳纤维复合材料回收技术

碳纤维复合材料（CFRP）因其优异的性能，如耐腐蚀、抗疲劳、高比强度和比模量以及良好的可设计性，在航空航天、汽车行业及风电产业等领域得到了广泛应用。然而，热固性碳纤维复合材料废弃物的大量堆积不仅占据了工业用地，而且污染环境，因此其回收再利用技术成为国内外研究热点。

CFRP的回收技术主要分为机械回收、热解回收、化学回收以及一些其他类型的回收方法。CFRP回收技术的发展及优缺点如图1所示。

图1：CFRP回收技术的发展及优缺点

2 rCF新型的回收策略

除了CFRP废料之外，另一种常见的废料类型为在制造阶段产生的干纤维。这些废纤维主要来源于边角料、筒子末端以及部分布边。据估算，干纤维在CF废物总量中占据了约40%的比例。鉴于它们尚未被嵌入至任何聚合物基体中，因此干纤维展现出了与vCF相同的特性。鉴于这一大量宝贵废料的产生，研究人员积极致力于开发新型的回收策略，包括但不限于将CF纺制成纱线、制造无纺布，以及采用回收CF与原生CF的混合方式，来生产非卷曲预浸料织物。

1）基于rCF 混纺纱线

在特定的框架条件下，将材料加热至280°C并保持30分钟，成功制备出所需的复合材料。研究显示，混合过程中的空气混合步骤有效提升了条子与纱线的均匀性。然而，此混合过程亦对碳纤维（CF）造成了更为显著的损害，表现为CF在纱线中的整体长度有所缩短。对纱线机械性能的深入分析揭示，未经空气混合处理的纱线展现出更高的韧性，这主要归因于制备过程中减少了断裂纤维的数量并保持了纤维的总长度。进一步研究发现，纤维的初始长度对纱线性能存在不利影响，因其直接关联到纱线结构中加工后纤维的最终长度。具体而言，采用80毫米CF制备的纱线展现出最长的平均纤维长度，进而赋予其更优越的韧性。同样，由80毫米CF与PA6共同制成的单向（UD）复合材料，其拉伸强度高达800MPa，在同类制备纱线中表现最优。

Hengstermann等人深入探究了初始纤维长度与混合比例对梳理加工后纱线性能及特性的影响。他们通过调整梳理机的各项参数，包括梳理辊间的距离及针布规格，并依据30%、50%及70%的体积比，手动混合40毫米与60毫米两种长度的CF与PA6纤维。经过梳理得到的CF/PA6纤网，随后经历并条与飞轮机纺纱等工序，最终制成混合纱线。在加工过程中，还需精细调整牵伸与纺纱参数，如喂入速率、牵伸比、罗拉材料及加捻数等，以减少对CF可能造成的损害。研究结果表明，纤维的初始长度与CF含量均对梳理网、条子及纱线的最终特性产生显著影响。与40毫米CF制成的纱线相比，采用更长CF制成的纱线表现出更佳的排向性、更低的毛羽量、更高的韧性及更低的伸长率。这主要得益于较长纤维在梳理过程中更易实现对齐，且受损与损失程度较低。此外，纱线中更长CF的存在及PA6体积的增加，均促进了纤维间的内聚力与条子纺纱质量的提升。研究还发现，CF在纱线中的取向、CF长度及纱线捻度均对UD复合材料的最终拉伸强度产生积极影响。总体而言，纤维长度与纱线捻度与所开发复合材料的整体强度之间呈现出反比关系，这主要归因于它们对复合材料中CF最终含量与长度的影响，以及热压过程中聚合物渗透的调节作用。

图2：制备 rCF/PA6 混纺的梳理工艺

为了减少对纺纱过程中碳纤维（CF）的进一步损伤，Xiao等人报告了卡网碳纤维增强热塑性（CWT）板材的开发，该板材可直接应用于镶嵌工艺。该策略涉及将长度为60毫米的CF废料与具有核壳结构的聚酰胺（PA）纤维混合，其中外壳由聚酰胺6（PA6）-聚乙烯（熔点136°C）共聚物构成，芯材为聚酰胺66（PA66）。混合过程中，CF与PA纤维的混合物以20%、30%和40%的CF体积分数进行配比，随后通过梳理形成梳理网。在110°C下，通过拉伸和压延工艺对梳理网进行稳定化处理，过程中基体PA纤维的外层熔化，从而在纤网中生成一定的粘合结构，最终生产出CWT片材。值得注意的是，拉伸过程（30-60%）对CWT片材中短纤维CF的更好对齐起到了关键作用。在280°C和5-9 MPa的压力条件下，采用压缩成型方法将开发的板材用于面板成型。所得压缩片材的拉伸模量高达45.6 GPa。CWT中CF含量的增加提升了拉伸强度和模量水平，同时拉伸比的增加也有助于提高主要纵向的拉伸强度。

a）用于 CF/PA 梳理网热粘合的部分熔化 PA6 纤维的拉伸和压延工艺，b）拉伸工艺对短纤 CF 对准的影响

2）基于 rCF 的非织造布和预浸料

另一种回收废碳纤维的有效途径是将其应用于无纺布网的生产中，这种方法展示了在高附加值产品中回收利用废碳纤维的巨大潜力。英国的EGL Carbon Fibre公司已成功实现年产能为250吨的rCF无纺布毡的工业化生产，并进行了优化处理，这些毡在汽车行业具有广泛应用。

图 3.a） EGL Carbon Fibre 公司的设备，b） EGL Carbon Fibre 生产的碳纤维/热塑性无纺布垫

在连续的筛网上，水分形成了片状结构。为了提升纤维在溶液中的分散效果及优化无纺布的处理流程，混合物中特别引入了羧甲基纤维素（CMC）。随后，无纺布历经环氧树脂的双重压缩与传递模塑（RTM）工艺处理。本项研究揭示了两个重要发现：其一，rCF/PP非织造布所制成的热塑性复合材料，其整体机械性能相较于热固性复合材料呈现较低水平。此现象归因于纤维表面存在的浸润层，该层与热固性环氧树脂具有更高的相容性，而非热塑性PP基质。其二，由干法无纺布制备的复合材料，相较于湿法样品制备的复合材料，展现出更高的机械性能。这主要得益于梳理工艺在干法非织造布中对纤维的有效对齐，以及湿法加工过程中CMC对纤维的附着，后者作为杂质存在，阻碍了CF在后续加工中的均匀渗透。此外，研究还指出，通过工艺形成的rCF/PET条（重量比为60:40）可用于预浸料的制备。该过程中，条子首先接受鳃处理以优化纤维排列，随后通过平行组装10条条子并进行热处理，制成预浸带。随后，利用PET长丝进行缝合，最终制成非卷曲碳纤维织物。对制备的预浸料进行机械特性分析时，发现其性能低于商业CF/PET预浸料。具体而言，由短回收纤维制备的样品在0°和0°/90°铺层方向上的拉伸强度分别为180.7 MPa和260.5 MPa，拉伸模量为34.2 GPa；而商业CF/PET 50:50样品的对应值分别为445.0 MPa、38.0 GPa，凸显了商业预浸料的卓越性能。

3结论与未来展望

本文回顾了碳纤维增强复合材料（CFRC）的多种回收方法，并深入探讨了干燥制造过程中产生的碳纤维废料的处理策略。在此基础上，热解与机械加工技术因其工业化应用潜力而备受瞩目。然而，当前研究仍致力于提升再生纤维的性能，力求其特性能够无限接近原生碳纤维。

未来研究应聚焦于以下几个方面：一是探索利用回收纤维生产复合材料的新方法；二是优化纤维与基体间的界面相互作用；三是持续改进回收工艺。此外，开发以回收纤维为原料的无纺布与纱线等增值产品也是未来的重点方向。对于干碳纤维废料处理，混纺纱线与非织造布产品的开发展现出良好前景，但提高产品机械性能仍是当前面临的主要挑战。

综上所述，碳纤维基产品的回收领域正处于快速发展阶段，其在推动高科技纤维循环经济方法建立方面将发挥关键作用。因此，未来需加大研究力度，以提升纤维质量并降低回收过程对环境的负面影响。

4参考文献

[1]聂婷,王焕春,李瑞怡,等.热固性碳纤维复合材料回收技术研究进展[J].火箭军工程大学学报,2024,38(04):108-118.

[2]Esfandiar Pakdel, Sima Kashi, Russell Varley, Recent progress in recycling carbon fibre reinforced composites and dry carbon fibre wastes,Resources, Conservation and Recycling,Volume166,2021,105340,ISSN0921-3449,https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2020.105340.