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。

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。

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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(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(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度。進(jìn)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(guān)聯(lián)到紗線結(jié)構(gòu)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(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(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CF可能造成的損害。研究結(jié)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(chǎn)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(shí)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(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長度及紗線捻度均對UD復(fù)合材料的最終拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生積極影響?？傮w而言，纖維長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因于它們對復(fù)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(diào)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(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）。混合過程中，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CW T片材中短纖維CF的更好對齊起到了關(guān)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(dá)45.6GPa。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。

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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(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。英國的EGLCarbonFibre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／熱塑性無紡布墊

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(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長絲進(jìn)行縫合，最終制成非卷曲碳纖維織物。對制備的預(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260.5MPa，拉伸模量為34.2GPa；而商業(yè)CF／PET50：50樣品的對應(yīng)值分別為445.0MPa、38.0GPa，凸顯了商業(yè)預(yù)浸料的卓越性能。

3結(jié)論與未來展望

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環(huán)境的負(fù)面影響。