01
引言
復合材料,特別是碳纖維增強塑料(CFRP),在現代工業中扮演著至關重要的角色。它們廣泛應用于航空、汽車制造和可再生能源等行業,主要因為它們優異的強度和輕質特性。然而,這些材料的環境影響和回收難度一直是業界面臨的主要挑戰。特別是在航空和汽車行業,對于減少重量以提高能效的需求推動了對這些高性能材料的依賴,同時也加劇了環境負擔。隨著舊復合材料產品,如風力渦輪機葉片,逐漸達到使用壽命,如何有效地回收和處理這些材料成為一個迫切需要解決的問題。
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纖維回收的復合材料背景
復合材料,尤其是碳纖維增強的聚合物,因其高強度重量比而被廣泛應用于多種工業產品中。它們不僅輕盈而且堅固,使得它們成為金屬的理想替代品,尤其是在需要減輕重量以提高能效的應用中,如航空航天和高性能汽車領域。然而,這些材料的主要問題在于它們難以回收。大多數碳纖維復合材料是由熱固性樹脂制成,一旦固化,就不能像熱塑性塑料那樣容易重新熔化和塑形。這導致了廢棄復合材料的積累和環境問題。
目前,碳纖維復合材料的回收方法主要可歸納為三類:物理回收法、化學處理法、熱解處理法。不論使用哪種回收方法,回收得到的碳纖維都很難維持連續纖維狀態,長度多小于120mm。可根據纖維的長度區間將回收碳纖維再利用的路徑分為以下三種:
A.纖維長度<6mm,作為填料加入復材原材料中;
B.6mm<纖維長度<70mm,制備成碳氈或SMC材料;
C.70mm<纖維長度<120mm,保持纖維取向,制備成熱塑帶材。
市場上的回收碳纖維主要以粉末、顆粒、絲狀等形式存在。纖維以粉末或顆粒形式去使用時,回收碳纖維性能可達到原生碳纖維性能的90%-95%。合理利用回收碳纖維,能夠在降低制品成本的同時解決碳纖維制品的廢棄問題和環保問題。當下,各國都開始重視碳纖維材料的回收利用,并不斷加大前沿技術研發和關鍵技術攻關力度。
圖 現有回收技術主要路線
03
纖維回收的技術前沿
-華盛頓州立大學在可回收復合材料方面的創新
華盛頓州立大學的研究團隊,在Jinwen Zhang教授的領導下,開發出了一種新型的可回收碳纖維復合材料。這種材料不僅保持了傳統碳纖維復合材料的高強度特性,而且可以在高溫、高壓的環境下分解,從而實現了回收再利用。這一創新使得碳纖維復合材料的應用更加環保和可持續。該研究團隊與能源部的太平洋西北國家實驗室的科學家們合作,他們的研究成果已發表在《大分子快報通訊》雜志上。
可回收復合材料背后的技術華盛頓州立大學的研究團隊采用了一種創新技術,使用環氧氟聚合物作為傳統環氧樹脂的替代品來開發這種可回收的復合材料。環氧氟聚合物的獨特之處在于,它結合了環氧熱固性塑料的堅硬耐用特性和熱塑性塑料在高溫下的自愈和可塑特性。這種雙重特性使得材料不僅堅固耐用,而且在達到一定溫度時能夠分解,從而實現回收。在實驗中,該團隊發現,在加壓蒸餾水中將溫度提高到160攝氏度以上時,這種材料能夠分解,釋放出可再次利用的碳纖維和其他化合物。當溫度進一步提升到180攝氏度時,材料能夠完全溶解。這種新材料的研發,為復合材料的制造和應用提供了新的可能性,使其在不損失性能的情況下變得可回收。影響和應用華盛頓州立大學的這項創新研究有可能徹底改變依賴復合材料的各個行業。這種新型可回收復合材料的開發,為提供更加可持續和環保的材料選擇鋪平了道路。特別是在航空和汽車產業,這種材料的應用可以減少環境影響,同時保持產品的性能和效率。此外,這種材料的應用還可能擴展到其他領域,如風能和海洋運輸。除了減少廢物和提高材料的可持續性之外,這種新型材料的應用還可能促進新的設計和制造方法的開發,進一步推動行業的創新和進步。
(未完待續)