碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料 （Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下簡(jiǎn)稱CFRP）具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高比模量、抗疲勞、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)和成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、體育器材、風(fēng)電葉片、建筑補(bǔ)強(qiáng)、交通工具等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。CFRP多采用熱固性聚合物（環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯、酚醛樹(shù)脂等）作為基體樹(shù)脂，其固化成型后形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無(wú)法再次模塑或加工，難以處理。隨著CFRP的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，廢棄的CFRP也越來(lái)越多，廢棄物的回收利用成為產(chǎn)業(yè)界和社會(huì)面臨的新問(wèn)題。CFRP在制備過(guò)程中將產(chǎn)生大約30%的邊角廢料，而第一代采用碳纖維的部分飛機(jī)即將達(dá)到25~30年的服務(wù)期，越來(lái)越多的飛機(jī)將進(jìn)行報(bào)廢，產(chǎn)生大量CFRP廢棄物。廢棄的風(fēng)機(jī)葉片、火車、公路車輛、船艇、運(yùn)動(dòng)商品中的所有CFRP都會(huì)達(dá)到壽命終端。目前，全球絲束碳纖維每年的產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)2.7萬(wàn)噸。與廉價(jià)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料不同，CFRP中含有大量昂貴的碳纖維，直接將其填埋雖然經(jīng)濟(jì)省錢(qián)，卻浪費(fèi)了昂貴的碳纖維。面對(duì)多重壓力，開(kāi)發(fā)低成本、綠色化廢棄碳纖維復(fù)合材料回收及再利用技術(shù)刻不容緩。

廢棄CFRP的回收方法

在廢棄CFRP的來(lái)源中，一種為生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢棄物，比如邊角廢料、過(guò)期的預(yù)浸料等，另一種為壽命達(dá)到使用年限的廢棄物。不同來(lái)源的廢棄物其組成也不同，廢棄物中通常含有紙、熱塑性樹(shù)脂、膠粘劑、金屬等雜質(zhì)，這進(jìn)一步加大了其回收處理的難度。廢棄CFRP的回收方法主要有物理回收、能量回收和化學(xué)回收。物理回收法主要是將廢棄CFRP破碎成顆粒或碾磨成粉末直接用作填料或添加到鋪路材料、水泥中，這種方法處理方式簡(jiǎn)單、成本較低，但得到的大多數(shù)是低價(jià)值的再生產(chǎn)品，對(duì)于含有高價(jià)值碳纖維的CFRP來(lái)說(shuō)并不適用。能量回收是通過(guò)焚燒CFRP廢棄物中的有機(jī)物并利用其能量的方法，該回收方法工藝簡(jiǎn)單，但是CFRP廢棄物在焚燒過(guò)程中會(huì)釋放有毒氣體，造成二次污染?；瘜W(xué)回收法既能得到高價(jià)值的碳纖維，又能將樹(shù)脂作為材料或能量回收，是最適合處理廢棄碳纖維復(fù)合材料的方法?；瘜W(xué)回收法依據(jù)是是否采用介質(zhì)，主要包括熱解法和溶劑分解法。

一、熱解法

熱解是利用高溫將復(fù)合材料中的樹(shù)脂分解成有機(jī)小分子從而回收碳纖維的方法，依據(jù)反應(yīng)氣氛、反應(yīng)器和加熱方式的不同分為熱裂解、流化床、真空裂解及微波裂解等方法。熱裂解法不使用化學(xué)試劑，易于進(jìn)行工業(yè)化放大，也是世界上唯一實(shí)現(xiàn)CFRP回收商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的方法。流化床法是指在流化床反應(yīng)器中通入氧氣或空氣，反應(yīng)溫度控制在450~550℃使樹(shù)脂分解，得到的回收碳纖維在氣旋作用下流動(dòng)并與金屬分離，樹(shù)脂分解產(chǎn)生的氣體被重新作為燃料補(bǔ)充流化床運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中耗費(fèi)的能量。英國(guó)諾丁漢大學(xué)的皮克林團(tuán)隊(duì)在流化床反應(yīng)器中回收廢棄的纖維復(fù)合材料方面做了大量的工作。流化床反應(yīng)器內(nèi)的溫度比熱裂解更均勻，更易控制，它可以處理含污染物較多的廢棄CFRP，同時(shí)回收的纖維表面沒(méi)有積炭殘留，但纖維長(zhǎng)度和力學(xué)性能損失嚴(yán)重。

二、溶劑分解法

溶劑法是指利用溶劑和熱的共同作用使聚合物中的交聯(lián)鍵斷裂，分解成低分子量的聚合物或有機(jī)小分子溶解在溶劑中，從而將樹(shù)脂基體和增強(qiáng)體分離。根據(jù)反應(yīng)條件和所用試劑不同，溶劑法可以分為硝酸分解法、氫化分解法、超/亞臨界流體分解法、常壓溶劑分解法和熔融鹽法。

硝酸法利用了硝酸的強(qiáng)氧化性和強(qiáng)酸性，可以在低于100℃的低溫分解CFRP，得到的碳纖維表面干凈無(wú)積炭殘留，碳纖維力學(xué)性能損失不大，但處理時(shí)間較長(zhǎng)，操作危險(xiǎn)性比較高，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些氮氧化物氣體。超/亞臨界流體法是指利用溶劑在超/亞臨界狀態(tài)下的擴(kuò)散和溶解能力將CFRP廢棄物的樹(shù)脂基體分解，從而得到干凈的碳纖維的方法。這種方法能夠很好地保留原始碳纖維的力學(xué)性能。常壓分解法是指在常壓條件下采用溶劑將復(fù)合材料中的樹(shù)脂基體降解，使之變?yōu)榭扇苄缘奈镔|(zhì)，從而使復(fù)合材料中的各組分易于分離、回收再利用。它避免了高壓反應(yīng)頻繁操作的問(wèn)題，工藝簡(jiǎn)便，有利于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

面臨的挑戰(zhàn)

與玻璃纖維相比，碳纖維具有更高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，因此廢棄CFRP的化學(xué)回收過(guò)程更具商業(yè)吸引力。但是目前CFRP回收利用的商業(yè)化仍面臨著許多問(wèn)題。

廢料的收集、分類、處理困難：廢棄CFRP的來(lái)源與組成復(fù)雜，如果不加分類直接處理就會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量不可控，因此需要加強(qiáng)廢料產(chǎn)生廠家與回收處理廠家之間的合作。

回收碳纖維的質(zhì)量控制：廢料中碳纖維的來(lái)源復(fù)雜，需要建立相應(yīng)的分級(jí)和評(píng)價(jià)方法，對(duì)回收碳纖維進(jìn)行正確的成本和性能評(píng)估，確定適合的市場(chǎng)。

回收碳纖維的再應(yīng)用：回收碳纖維多為短切纖維，利用其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能將作為熱塑性樹(shù)脂的填料是其應(yīng)用的一種，但附加值相對(duì)較低。需要研究開(kāi)發(fā)針對(duì)回收碳纖維具有更高附加值的產(chǎn)品，提高整個(gè)回收過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益。