在飛機(jī)、汽車、賽艇上廣泛應(yīng)用的“材料之王”碳纖維復(fù)合材料，其優(yōu)異性能在回收時(shí)則成為難題。上海交大王新靈教授研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)第一項(xiàng)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)和裝備，并達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白。此項(xiàng)技術(shù)不僅突破了產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展難題，更可避免50億元規(guī)模高回收價(jià)值材料被廢棄，重新得到應(yīng)用。目前該項(xiàng)技術(shù)已被中國(guó)汽車技術(shù)研究中心增補(bǔ)到2015年《車用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》行業(yè)規(guī)范，具有重要的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景。

因具有強(qiáng)度高、超輕、耐高溫高壓等特點(diǎn)，由碳纖維制成的熱固性樹脂基復(fù)合材料即碳纖維復(fù)合材料被喻為當(dāng)今世界的“新材料之王”，始終是美、日、德等發(fā)達(dá)國(guó)家多年來重要的國(guó)家戰(zhàn)略物資，用于制造航天飛船、飛機(jī)、通信衛(wèi)星和尖端武器等。隨著碳纖維大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化條件的日漸成熟，其潛力正在被不斷開發(fā)，開始從“天上”走向“人間”，造福廣大百姓。而大規(guī)模應(yīng)用后的廢棄物處理則成為難題。據(jù)預(yù)測(cè)，全球廢棄碳纖維復(fù)合材料制品至2020年可達(dá)5萬(wàn)噸，其中碳纖維2.5萬(wàn)噸以上，按平均價(jià)格200元/千克計(jì)算，價(jià)值約合人民幣50億元以上。每100千克航空碳纖維復(fù)合材料廢棄物中，就有大約60～70千克的碳纖維，這些碳纖維仍然具有極高的再利用價(jià)值，其力學(xué)強(qiáng)度和電、磁、熱性能幾乎與原有碳纖維相當(dāng)，可用來重新制備高性能復(fù)合材料。

雖然有極高的再利用價(jià)值，但在實(shí)際操作過程中卻阻礙重重。常用的碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維和熱固性樹脂復(fù)合而成，具有不溶不熔的特性。有了這層“金鐘罩”的保護(hù)，想對(duì)其進(jìn)行回收再利用便非常困難，這已經(jīng)成為了阻礙復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸問題。以前碳纖維復(fù)合材料用量少、相應(yīng)的法律法規(guī)不完善，碳纖維復(fù)合材料廢棄物都是通過掩埋或者焚燒方法處理，既污染環(huán)境、也造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，政府均已立法禁止。隨著碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，報(bào)廢的產(chǎn)品是否能如鋼鐵、鋁合金材料經(jīng)過簡(jiǎn)單處理再次利用是人們亟待解決的重要挑戰(zhàn)。因此把碳纖維復(fù)合材料廢棄物中的碳纖維回收并重新利用，同時(shí)將廢棄物中的熱固性樹脂以能源或材料方式回收，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和諧社會(huì)，響應(yīng)國(guó)內(nèi)外保護(hù)環(huán)境、節(jié)能減排、可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召具有重要意義。

上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院王新靈教授研究團(tuán)隊(duì)在上海市發(fā)改委“上海交通大學(xué)大型民機(jī)創(chuàng)新工程”項(xiàng)目資助下，于2010年前瞻性地由楊斌副教授負(fù)責(zé)開始從事以規(guī)?；祭w維復(fù)合材料廢棄物回收技術(shù)的研究開發(fā)。經(jīng)過5年艱苦的技術(shù)攻關(guān)，針對(duì)裂解法固有的缺陷，創(chuàng)新性地提出了完善的解決方案，同時(shí)解決了工程放大中遇到的一系列關(guān)鍵問題，成功開發(fā)了國(guó)內(nèi)第一項(xiàng)擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的規(guī)?；男滦土呀饣厥占夹g(shù)和裝備，碳纖維復(fù)合材料廢棄物的年處理能力超過200噸。目前全球僅德國(guó)(ELG Carbon Fibre Ltd)、日本(碳纖維回收工業(yè)公司)和美國(guó)(MIT-RCF Ltd)的三家公司擁有回收處理碳纖維復(fù)合材料廢棄物的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)。與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比，上海交通大學(xué)的回收技術(shù)具有廢棄物處理前可保留大尺寸的特點(diǎn)，這樣既免除了廢棄物切割、粉碎的工序，更重要的是保持了再生碳纖維的足夠長(zhǎng)度、提高了碳纖維再利用的價(jià)值。

先進(jìn)復(fù)合材料領(lǐng)域著名專家杜善義院士十分支持及贊賞楊斌副教授在解決碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域做出的突破性貢獻(xiàn)，表示碳纖維復(fù)合材料的回收再利用是一個(gè)重要的技術(shù)問題，更是涉及產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性的戰(zhàn)略問題。

北京航空材料研究院科技委主任、先進(jìn)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任益小蘇教授說:“大家可能都注意到了，國(guó)家正在大力推廣碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用?；仡櫸覈?guó)改革開放三十年走過的道路，不能不說的是，在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)候我們?cè)?jīng)忽略了資源和環(huán)境，全國(guó)性的霧霾災(zāi)難就是這樣一個(gè)苦果!今天，上海交大已考慮到碳纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用之后的環(huán)境與資源問題，開發(fā)了相應(yīng)的回收再利用技術(shù)，‘山雨欲來，及早綢繆’，真是一個(gè)值得表彰的大好事。我在北京建立的“綠色復(fù)合材料北京市工程實(shí)驗(yàn)室”，與上海交大的考慮異曲同工，因此，建議我們兩家建立聯(lián)系，推進(jìn)合作，共同為我們美麗家園的綠水藍(lán)天而奮斗，為中國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展而奮斗?！?/p>

在國(guó)家工信部2015年11月17日頒布的“十三五”期間優(yōu)先發(fā)展的205項(xiàng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)中，作為“智能制造裝備”技術(shù)之一的“碳纖維復(fù)合材料廢棄物低成本回收以及應(yīng)用技術(shù)”赫然在目。而上海交大的研究團(tuán)隊(duì)在五年前便前瞻性的從事該領(lǐng)域技術(shù)裝備的開發(fā)，目前已經(jīng)成功解決了航空航天復(fù)合材料廢棄物不能填埋、在倉(cāng)庫(kù)中大量堆積無(wú)法消化的問題;未來，該技術(shù)將在汽車行業(yè)中大放光彩，為汽車輕量化、低碳化發(fā)展奠定技術(shù)保障。經(jīng)過中國(guó)汽車技術(shù)研究中心重點(diǎn)調(diào)研及論證，本項(xiàng)技術(shù)作為國(guó)內(nèi)唯一一項(xiàng)碳纖維復(fù)合材料回收再利用技術(shù)，已被增補(bǔ)到2015年《車用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》“已驗(yàn)證再利用技術(shù)清單”行業(yè)規(guī)范中，為碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用提供了必要的法規(guī)依據(jù)。

高性能纖維由于具有優(yōu)于普通纖維的優(yōu)異物理、化學(xué)性能，近年來在航空航天、汽車、環(huán)境工程等眾多領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)展十分迅速。與此同時(shí)，高性能纖維強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕性能好等特性也決定了其制品廢棄處理和再利用難度更大。廢棄的高性能纖維制品如不能妥善處理或再利用，既是對(duì)環(huán)境的污染，亦是對(duì)資源的極大浪費(fèi)。

尤其是對(duì)占碳纖維市場(chǎng)90%以上的碳纖維復(fù)合材料，其回收再利用技術(shù)研究和應(yīng)用已經(jīng)迫在眉睫。

碳纖維復(fù)合材料廢棄物主要為生產(chǎn)過程廢棄物以及經(jīng)使用后報(bào)廢的廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅在將碳纖維加工成最終制品的過程中就約有30%的纖維在各個(gè)工序中被浪費(fèi)，這意味著目前每年在生產(chǎn)過程中廢棄的碳纖維高達(dá)2.4萬(wàn)t。生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄碳纖維通過切斷制成短纖維、非織造布等容易回收，而碳纖維復(fù)合材料廢棄后回收則難度大、成本高。

日本早在2006年就開始開發(fā)碳纖維再生技術(shù)，并成功開發(fā)出可控制回收碳纖維(RCF)長(zhǎng)度，并可除去金屬雜質(zhì)和樹脂殘?jiān)康偷脑偕祭w維技術(shù)。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已有具備工業(yè)化RCF生產(chǎn)能力的企業(yè)，包括日本碳纖維再生工業(yè)公司，東麗、東邦Tenax和三菱麗陽(yáng)公司，德國(guó)CFK Valley Recycling、ELG Carbon Fiber公司，美國(guó)Carbon Conversions公司、MIT LLC公司，德國(guó)寶馬和美國(guó)波音公司等。

CFK Valley Recycling的產(chǎn)業(yè)化RCF生產(chǎn)線(1分選;2熱解;3表面處理;4切割;5分銷)此外，日本精細(xì)陶瓷中心(JFCC)與大同大學(xué)、信州大學(xué)、靜岡大學(xué)，德國(guó)西門子中央研究院、RWTH Aachen大學(xué)紡織技術(shù)研究所、薩克森紡織研究所(STFI)、Karl Mayer 公司，美國(guó)Adherent Technologies公司、華盛頓州立大學(xué)，上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等均已致力于RCF生產(chǎn)技術(shù)的研究。

MIT LLC公司用RCF生產(chǎn)的汽車零部件RCF制成絎縫非織造材料及用于寶馬i3和i8的CFRP從回收方法來看，根據(jù)碳纖維復(fù)合材料廢棄物材料成份及特性，目前國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料廢棄物的方法主要包括化學(xué)回收、能量回收和物理回收 3 種方式，其中，用于回收廢棄物中價(jià)值較高的碳纖維的方法主要為化學(xué)回收法。化學(xué)回收法根據(jù)回收技術(shù)和設(shè)備又可分為流化床回收工藝、熱裂解回收工藝及超臨界流體回收工藝 3 種。熱裂解回收工藝是目前最主要的工業(yè)化RCF生產(chǎn)工藝，是在無(wú)氧情況下，通過高溫(400 ～ 500 ℃)將預(yù)處理后的復(fù)合材料中的樹脂分解、去除(碳纖維、填料等不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng))，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維或其它材料的回收。樹脂分解后成分以苯酚為主，還可進(jìn)行酚醛樹脂或環(huán)氧樹脂的制造。

ELG Carbon Fibre公司RCF產(chǎn)品由于熱裂解工藝通常需要進(jìn)行預(yù)粉碎，因此通過該工藝得到的RCF通常為短纖維或進(jìn)一步加工成的非織造材料，日本JCMA回收廠聯(lián)合東麗株式會(huì)社、日本帝人集團(tuán)和日本三菱麗陽(yáng)株式會(huì)社，研制出不需要預(yù)粉碎就可進(jìn)行熱解過程的RCF生產(chǎn)技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，具有60 t/a的回收能力。

除此之外，由于常用的熱裂解工藝在回收過程中難免對(duì)纖維造成損傷，因此如何以更低的性能損失實(shí)現(xiàn)更高價(jià)值的碳纖維回收還是該領(lǐng)域的一個(gè)主要難題。美國(guó)ATI公司通過低溫化學(xué)處理去除樹脂以及一些污染物，再經(jīng)真空高溫分解剩余的樹脂，獲得了99%純度的纖維。西班牙巴利亞多利德大學(xué)和英國(guó)諾丁漢大學(xué)的研究表明，流體體系及堿性催化劑可促進(jìn)樹脂的降解，提高反應(yīng)速率，通過改變流體速率和堿性催化劑比例，實(shí)現(xiàn)了在15分鐘內(nèi)降解95%以上樹脂的回收方法，且回收纖維強(qiáng)度可保持原纖維85% ~ 99%的強(qiáng)度。

隨著研究的深入和技術(shù)水平進(jìn)步，一些回收技術(shù)聲稱RCF的機(jī)械性能已經(jīng)可達(dá)到原生碳纖維水平。如從熱固性樹脂的固化出發(fā)，Connora Technologies公司開發(fā)了一種名為Recyclamine?的新型環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，固化后的環(huán)氧樹脂具有可被酸分解的縮醛鍵，從而使得最終的聚合物三維網(wǎng)絡(luò)具有酸降解的性質(zhì)，因此其碳纖維復(fù)合材料可在100 ℃的乙酸中分解，實(shí)現(xiàn)碳纖維的100%重復(fù)利用。酸溶液中和后溶解的聚合物可從溶液中沉淀出來，回收為具有熱塑性的聚合物。

編輯：趙凡