纖維增強復合材料在航空航天、汽車和風能等領域因其高強度和輕量化的優勢而廣泛應用，但傳統的熱固性樹脂基復合材料難以回收，限制了其循環經濟的潛力。熱塑性樹脂基復合材料由于其可回收性，成為替代傳統熱固性材料的潛在選擇。本文探討了通過回收碳纖維和聚苯硫醚（PPS）制造高性能復合材料的方法，并評估了不同制造工藝對復合材料性能的影響。

循環經濟迫在眉睫

在迅速擴大的碳纖維市場中，回收碳纖維的重要性日益凸顯。在歐盟，根據《報廢車輛指令》（End-of-Life Vehicle Directive），至少 95% 的車輛重量必須被重新回收利用，其中最多10% 可用于能源生產。這對傳統的碳纖維增強復合材料帶來了巨大挑戰，傳統熱固性基體難以回收，且占比 25% 至 45%。即使將其燃燒用于能源生產，也無法達到 85% 的可回收性要求。

此外，碳纖維市場過去十年年復合增長率達 11.50% - 11.98%。隨著其在汽車結構中使用量的持續增加，原生纖維或難滿足需求。市場渴求低成本、低能耗的碳纖維。原生碳纖維生產消耗 55-165 kWh/kg，成本約 33-66 美元/kg，而回收碳纖維在性能保留超 95% 的情況下，生產消耗僅 3-10 kWh/kg，成本 5 美元/kg。目前，多達 40% 的碳纖維廢料被填埋處理，因此，將其回收用于汽車行業的長纖維復合材料具有顯著價值。

l 研究人員使用從碳纖維增強PPS廢料，通過模壓和注塑成型技術制備了纖維增強復合材料。

l 使用 6.35 mm、#4 (4.75 mm)、#8 (2.36 mm)、#10 (2.0 mm)、#20 (0.85 mm) 和 #40 (0.425 mm) 篩網將回收料進行篩分，以控制纖維長度。

控制光纖長度可保持性能。

本研究制備了以下幾種類型的復合材料：

粒子化合物: 使用篩分后的回收料直接壓縮成型，纖維長度為 1-5 mm。

預浸料板: 使用 12.7 mm × 12.7 mm 的回收料板或混合回收料壓縮成型，纖維長度較長。

微粒復合材料的制造工藝。將 12.7 × 12.7 毫米的回收料和 20 號模塑化合物壓制成板，從中提取拉伸試樣。

濕法鋪層復合材料: 使用混合回收料和原生碳纖維濕法鋪層，然后壓縮成型，纖維長度較長。

濕鋪復合材料的制造工藝。濕法鋪設的預型件（a）通過模壓工藝加固成有機板（b），然后堆疊并模壓成有機板復合材料（c）。

注塑成型復合材料: 使用篩分后的回收料與 PPS 顆粒混合，然后注塑成型，纖維長度較短。

注塑復合材料的制造過程。回收料（a）和商用（b）注塑化合物用于生產拉伸試樣（c）

l 以原生 PPS 和含有 50 wt% 碳纖維的商業注塑成型復合材料作為對照組。

l 通過掃描量熱法（DSC） 和熱重量分析法（TGA）評估了復合材料的耐熱性，并通過拉伸測試評估了其力學性能。

l 使用光學顯微鏡和掃描式電子顯微鏡（SEM） 研究了復合材料的微觀結構，以評估其均勻性。

研究結果

耐熱性: 添加碳纖維可以提高 PPS 基體的結晶度，從而提高其結晶溫度和 5% 的降解溫度。模壓成型復合材料的結晶度高于注塑成型復合材料，這與冷卻速率有關。

模壓成型樣品的熱性能及注塑成型樣品熱性能

力學性能: 粒子化合物復合材料的拉伸模量和強度隨著纖維長度的減小而降低。預浸料板復合材料在機器方向和交叉方向表現出各向異性，強度較高，但應變率較低。濕法鋪層復合材料的纖維分散性較差，導致其強度降低。注塑成型復合材料具有更高的強度和模量，但纖維長度較短。

光學顯微鏡觀察: 粒子化合物復合材料的孔隙率低于 1%，表明其結構致密。預浸料板復合材料的孔隙率高于粒子化合物，這與較低的成型壓力和較長的纖維長度有關。濕法鋪層復合材料的孔隙率最高，這與原生碳纖維束的分散性較差有關。注塑成型復合材料的纖維分散性較好，但纖維長度較短。

影響復合材料強度的微觀結構特性

掃描電子顯微鏡（SEM）分析: 篩分技術可以有效降低回收復合材料的性能變異，從而獲得更一致的力學性能。例如，粒子化合物復合材料的強度差異小于 20%，而濕法鋪層復合材料的強度差異可達 50%。

模壓成型和注塑成型復合材料失效表面的SEM圖像。混合和濕鋪復合材料的局部不均勻性越來越嚴重。纖維拉出現象越來越普遍，表明低于臨界纖維長度的纖維數量越來越多。

研究結論

l 篩分技術是一種有效的方法，可以生產具有特定性能的回收復合材料。

l 纖維長度和分散性對回收復合材料的性能至關重要。

l 需要開發新的回收和再制造技術，以保留纖維長度、對齊纖維并確保回收產品的均勻性。

l 發展循環經濟對于減少纖維增強復合材料的廢物生成至關重要。

本研究表明，通過合理的回收和制造工藝，可以有效地再利用CF/PPS復合材料廢料，實現高性能的再生復合材料。關鍵在于控制纖維長度和分散均勻性，以最大化回收材料的性能。未來的工作應進一步優化回收和制造工藝，以實現循環經濟目標，并推動纖維增強復合材料的可持續發展。

參考文獻：