复合材料的回收与利用

随着复合材料行业的蓬勃发展，其废弃物的回收问题已日渐突出、不容忽视，如何对废弃物进行有效的回收与循环利用是复材行业实现未来更大发展必须重视的重要前提。但复合材料的优点在回收利用方面都变成了缺点，加大了复合材料的回收利用难度，其回收需要用到创新性的工艺、方法。

根据美国复合材料制造商协会（ACMA）复合材料市场开发副总裁Dan Coughlin的说法，仅在两年前，复合材料的回收还是一个理想目标而并非商业现实。但是，由于ACMA成员和来自世界各地的合作伙伴们的共同努力，今天的情况已大不相同。碳纤维复合材料的回收已成为现实，同时，行业也正在积极寻求新的玻璃纤维回收技术。

对于ACMA的成员来说，有一些激励措施推动了美国的复合材料回收业。美国复合材料行业在全球率先开展回收技术的开发和商业化。这种行业主导的模式与欧洲等世界其他地区的法规和授权形成鲜明对比。复合材料行业也正在响应客户需求，例如来自飞机制造商和汽车原始设备制造商（OEM）的声音，他们需要具有成本效益和可持续性的方法来处理废旧材料和报废的复合材料部件。

建设回收基础设施

从头开始构建一个可行的复合材料回收系统是一个复杂的过程，因为在相同的时间范围内必须发生许多不同的事情。首先，公司必须解决在回收过程中提取不同类型纤维的技术挑战。迄今为止，由于回收碳纤维的价值相对较高，行业在碳纤维方面取得了比玻璃纤维更多的进展。

然后，为了达到商业上可行的运营规模，公司将不得不寻找稳定一致的复合废料来源。他们可能必须根据回收材料的类型来调整回收技术——碳纤维或玻璃纤维、预浸料废料、整固化复合材料或固化复合材料的废料。

Gledhill 表示，ELG 有能力扩大生产以满足需求，该公司已经设定了三年内将碳纤维回收能力提高三倍的目标。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）的资深研发科学家、先进复合材料制造创新机构（IACMI）的复合回收主管Soydan Ozcan指出：“玻璃纤维增强的聚合物类型，会与碳纤维的有所不同，所以两者回收工艺和条件可能也会有所不同。”除此之外，行业也不能确定是否一个工艺能够有效回收两种类型的纤维，以及不同的树脂和纤维对回收过程是否会有不同的反应。

为回收原料提供复合材料废料的公司必须做好准备，对其提供的内容进行彻底的分解。因此，需要创建这些材料的规格说明。“废料回收行业协会”的首席科学家/环境管理主任David Wagger表示。该组织一直在帮助ACMA及其合作伙伴评估成功的复合材料回收所需要的条件与材料。

“此外，还需要有一个回收材料的应用市场。”Wagger补充道，“你可以做所有的收集、分类和处理，但如果它不会让人们真正将其转化为新材料，那么回收就不会继续。”

复合材料和复合材料部件制造商必须从第一天开始考虑回收利用。如何将不必要的零件和生产废料收集、分离出来并转换成可重新加工成新材料的产品。

碳纤维回收前景展望

所谓碳纤维复合材料废弃物的回收再生或再利用主要是针对碳纤维增强塑料（CFRP）而言，因为根据调查它已占碳纤维市场的90%以上，随着CFRP在航空航天、大型风电叶片、土木建筑、汽车等领域应用的迅速扩大，其废弃物的回收再利用技术的开发和产业化已迫在眉睫。其中碳纤维增强热塑性树脂（CFRTP）可通过制成切片再利用，而碳纤维增强热固性树脂的回收是有难度的。

如果有一个好的商业案例可供采用，复合材料行业将更有可能接受回收利用。“我们有一个关于碳纤维的好故事。”Coughlin说，“人们在出售碳纤维，也在回收碳纤维，而且它正逐渐适应市场的需求，从主要的OEMs公司那里，人们将回收的碳纤维视为一种有吸引力的资源。”将废弃材料中的复合废料转变为有价值的资源，是这个行业在过去几年所取得的进步中的一个重要里程碑。

ELG商业总监Alasdair Gledhill的表示，ELG碳纤维公司已经花了七年的时间致力于热解（高温分解）工艺，从复合材料中回收碳纤维，并准备在工业规模上进行运行。“现在面临的挑战是再生碳纤维产品的商业化。”他说，“ELG已经能够为各种不同市场提供量身定制的、专门级别的原材料。”

ELG的主要目标是汽车行业，但有许多不同的应用和市场可以使用再生碳纤维，包括运输行业的其他部分。Gledhill补充道：“也许我们会看到再生碳纤维正在进入航空航天市场，用于需要轻量化和高强度的非关键任务和非结构部件。”

ELG使用工业废料、固化和未固化的预浸料和层压材料作为原料，大部分来自航空航天工业废料。“随着业务的成熟，也许从现在开始的15到20年，我们将开始看到更多的报废品回到我们身边。”Gledhill说。例如，当一辆汽车在其寿命结束时被切碎时，像ELG这样的公司可以得到其碳纤维组件并回收它们。风力涡轮机叶片可能是碳纤维的另一个来源，尽管它们含有更多的玻璃纤维而不是碳纤维。

ELG在今年3月份已经宣布计划增加其英国工厂的产能，以满足正在增长的大规模商业应用的需求。此次的投资重点在于提高从未固化预浸料和层压原料中回收纤维的能力，以及该公司用于增强热塑性复合材料的CARBISO ™ MB产品线的商业化。

“我们的目标是使再生纤维成为供应链的一个组成部分。”Gledhill说，“我们认为再生碳纤维是对初级碳纤维增长的补充。在许多方面，回收的碳纤维有助于填补初级碳纤维的供应不足。”

MB产品是通过将高等级切碎纤维转化成颗粒形式，并针对传统上使用切碎的原生碳纤维的应用定制的。

为了支持成品生产的增长，ELG正在升级其热解炉，以增加其当前每年1,000吨碳纤维的产能。这一升级将在2018年第四季度完成，之后ELG估计它将能够每年向Coseley工厂的客户交付1,700吨碳纤维产品。

“我们非常重视投资，为客户提供可行、高产量的原生碳纤维替代品。”ELG Carbon董事总经理Frazer Barnes表示，“回收碳纤维并将其转化为一致、经济实惠的产品现已成为现实，我们可以按照行业需求的速度提供所需的大量产品”。

由Ron Allred和Damian Cessario共同创立的V-Carbon是另一家希望提供这种需求的公司。它使用一个低压、中温化学溶解（化学试剂分解）来回收复合材料中的碳纤维。该公司正在欧洲建立先进的制造业务，并在美国建立了一个原型工厂，每3天生产约30磅再生碳纤维。不久，它将在堪萨斯州威奇托市开一家新工厂。这将能够扩大规模以满足客户的需求。

Allred是V-Carbon研发部门的负责人，他说该产品绝对有市场。“我们已经在欧洲为汽车工业和海洋工业做了大量的采样和原型设计，用于豪华游艇和体育用品。至少在欧洲，人们非常清楚它即将到来。”Allred认为，一旦有了商业数量的纤维，V-Carbon也会得到美国消费者的积极回应，对此他很有信心。

V-Carbon计划垂直整合其碳回收过程。“我们将生产回收纤维，会将它们加工成无纺布——无论是随机排列还是对齐的——有时还会用它们制作纺纱码，然后我们将拥有生产部件并将其供应到市场的制造能力。”Allred说，“我们还拥有一系列的产品尺寸，可以使用回收纤维进行良好的性能转换。这在每一步都创造了价值，而这将令这个企业实现盈利。”

商业案例

降低成本是碳纤维回收增长的关键。Gledhill说：“再生碳纤维为某些应用提供了极大的价值，在性能和成本之间实现了平衡，这是非常重要的。

回收还有其他经济效益。“据IACMI估计，获得再生纤维仅需要制造原始纤维15%的能量，这意味着成本效益。”Allred说。

“通过回收碳纤维废料，你可以保留那些已经投入到原始纤维中的能量。这在经济上是有道理的。”Gledhill表示。当碳纤维复合材料废料进入垃圾填埋场时，你就失去了这种能量并生产下游产品的环境成本。

回收的碳纤维保留了大部分的机械性能。根据Gledhill的说法，热解后，碳纤维的拉伸强度仅降低4%，拉伸模量降低2%。但是回收的碳纤维与原始碳纤维有一个显著的区别：相对连续于纤维，再生纤维是短而不连续的。这限制了它们的某些应用。

 “但它也开辟了一个可以使用短纤维的不同产品的全新世界。”Gledhill说，“例如，ELG将我们的短纤维穿过梳理线（将纤维对齐）制成非织造垫。这种全新的产品正在推向市场。在某些情况下，非织造垫可用于取代由初级纤维制成的初级预浸料坯或片状模塑料。”

Allred表示，改善再生碳纤维用途的一种方法是以某种方式排列短碳纤维。他补充说：“这将产生大约50%的体积分数，实质上是可使机械性能增加一倍。”

V-Carbon 的原型回收反应堆每三天生产30 磅回收碳纤维。该公司计划在堪萨斯州威奇托开设一家全面的生产工厂。图片来源：V-Carbon

Ozcan说，开发新的制造方法可能会创造出新的高附加值的产品，这些产品会将这些再生纤维结合起来。一个IACMI项目小组目前正在开发一种工艺和必要的设备来排列这些回收的短碳纤维。另一个项目是，IACMI正在与巴斯夫（BASF）、ORNL和田纳西大学诺克斯维尔合作，开发高容量、高速加工和材料技术，使用短碳纤维生产具有A级表面外观和必要的机械性能的汽车车身面板。

近期开发的碳纤维回收技术

2016年，佐治亚理工学院的研究人员宣布发现了一种碳纤维回收新方法，几乎可以将某些热固性碳纤维复合材料中的碳纤维100%回收再利用。这种新方法是将复合材料浸泡在乙醇溶剂中，使包裹在碳纤维周围的环氧树脂缓慢溶解。树脂溶解之后，碳纤维与环氧树脂便可分离实现再应用。伍德拉夫学院的Jerry Qi教授领导了一个由佐治亚理工学院可再生生物制品学院的研究人员组成的团队。

该研究团队采用了一种名为Vitrimer的特殊环氧树脂来作为碳纤维的基体材料。佐治亚理工学院乔治•W•伍德拉夫机械工程学院的博士后Kai Yu介绍说：“在某种条件下，Vitrimers 中含有可以替换结构但不损坏交联网络完整性的动态键，小分子化合物乙醇参与到网络结构的替代反应中，能有效地溶解Vitrimers树脂”。Qi表示这种新的循环过程有望实现美国和欧洲每年产生的数千吨碳纤维废料的回收再利用。

佐治亚理工学院Georgia Institute of Technology 的研究人员找到一种方法，能回收碳纤维。

同年，上海交通大学也宣布，经过5年攻关，成功开发出拥有完全自主知识产权的碳纤维复合材料废弃物低成本回收技术和装备，达到具有国际水平的规模化生产能力，填补了国内这一领域空白。

上海交大化学化工学院教授王新灵团队得到了市发改委“上海交大大型民机创新工程”项目资助，由副教授杨斌负责研发规模化新型裂解回收技术，目前实现了碳纤维复合材料废弃物的年处理能力超过200吨。与国际相比，交大回收技术在废弃物处理前可保留其大尺寸，免除废弃物切割、粉碎工序，更重要的是保持了再生碳纤维的足够长度，提高了再利用价值。这套技术路径只需花费原先1/3的能耗，就可重新实现原材料90%的高性能。

碳纤维线本身可能在该过程中被损坏，加上用于将它们层叠在一起的聚合物树脂不能回收。不过，2017年，华盛顿州立大学的科学家们宣布已经研发了一个没有这些缺点的新工艺。由Jinwen Zhang教授带领的团队将碳纤维废料浸入由“弱酸”和液态乙醇组成的溶液中。

新工艺将使碳纤维回收变得更环保更高效。当将混合物加热到200℃时，乙醇使树脂膨胀。这允许“弱酸”进入其中，破坏碳—氮键。随后其分解成液体，释放用于回收和随后再利用的碳纤维线。树脂也可以回收再利用。

上海交大：提炼前的废弃碳纤维复合材料及提炼后的再生碳纤维

此外，日本日立化成、日本精细陶瓷中心（JFCC）与大同大学、德国RWTH Aachen大学纺织技术研究所、西门子中央研究院、德国萨克森纺织研究所（STFI）等均已经研究出可产业化的碳纤维回收技术，可以明确的是，目前CFRP的回收再利用已经可以解决技术问题，面临的主要问题还是产业化和市场应用。

玻璃纤维复材的挑战

碳纤维回收利用为探索未来可能使玻璃纤维受益的纤维回收技术铺平了道路。在玻璃纤维回收方面进行了多次尝试。在此之前，人们都有共同的看法：碳纤维的价值高，值得被回收利用；但是，玻璃纤维价格低廉，回收起来是否划算？回收后，它能够被妥善利用吗？其实，这一领域有着更大的需求，因为目前世界上90%以上的复合材料都是用玻璃纤维制成的。

上海交大：提炼后的再生碳纤维

事实上，玻璃纤维复合材料的回收已经到了迫在眉睫的地步。大量玻璃纤维复合材料零部件已经服役了几十年，寿命都快到期，把它们随手丢弃是绝对不行的！例如，你没办法扔掉足有50米长的风机叶片。而废旧叶片的处理恰是一个越来越受到可再生能源倡导者重视的问题。

水泥窑工艺是目前用于玻璃纤维回收的一项技术。这种方法能够获得一些材料自身带有的能量,再生玻璃纤维主要用作低价值的水泥填料。这比将复合材料送到垃圾填埋场好，但不能提供回收利用的最佳经济价值。热解是另一项技术选择，可惜以前的尝试并不能很好的恢复纤维强度，实现价值与强度的平衡。

上海交大：自行车轮毂以及石油抽油扶正器

为了寻找更好的解决方案，由IACMI赞助的ACMA和欧文斯科宁公司（Owens Corning）正在领导一个由12个行业和研究伙伴所进行的合作，共同开发一种名为Thermolyzer ™的热复合循环技术。这是一个受控的热解装置，它利用复合材料固有的能量来为回收过程提供燃料，同时保持玻璃纤维和碳纤维的结构价值。该过程产生的过量能量甚至可能有助于在Thermolyzer所在的工厂或实验室运行其他设备。

ACMA领导的团队将在3月份的一次试验中使用位于德国的Thermolyzer测试装置。它计划回收各种包含碳纤维和玻璃纤维的碎料复合材料——风力涡轮机、工业废料和汽车SMC。

“对于玻璃复合材料的回收利用，我们必须取出长度大于1/2英寸的纤维，才能保持其强度并且不脆化——这才是可用纤维。”欧文斯科宁复合材料科学顾问Dave Hartman说。

“一旦我们找到以经济的方式取出光纤的方法，接下来我们仍然需要开发出可利用回收玻璃纤维的应用领域。”Coughlin补充说。目标是达到强度适合的、商业上可接受的纤维强度水平。

由于连续工艺在全天候运行时运行效率最高，复合材料行业可与其他行业合作，如地毯和电子产品，这些行业也存在需要回收利用的废弃物流。

项目组将在12月前完成。尽管回收GFRP并不容易，但Coughlin相信复合材料行业将会找到答案。他列举了造纸公司的例子，他们必须找到低成本纤维素纤维回收利用的方法。关键是为再生产品创造市场拉力。联邦政府在指定购买再生纸时提供了帮助。商业公司很快跟进，创造了纤维回收的需求。如果复合材料行业及其客户能够为再生玻璃和碳纤维开发正确的应用，就可以创造出同样的市场吸引力。

随着技术的改进和新市场对回收玻璃和再生碳纤维的开放，两者的供应量将增加以满足市场的需求。回收纤维有很多增长的机会：在每年生产的约10万吨初级碳纤维中，约有3万吨在生产过程中成为废料，目前只有约10%被回收利用。

“确保3万吨碳纤维废料得到负责任、可持续和可回收的处理仍有很长的路要走。”Gledhill说，“我认为，当你有一个具有固有价值的废物流时，有一定的经济诱因可以让它远离地下的空洞，这一点不言自明。”在欧洲，至少也有防止填埋的法规。

“这两件事将会推动更多回收能力的发展，”Gledhill说。

Ozcan补充说：“行业曾经对复合材料回收利用的不感兴趣，但慢慢发生了变化。人们现在对此感到兴奋。他们收到的信息越多，就越想参与。人们已经理解这件事的重要性和可能性了。”

全球性关注

全球复合材料行业都需要开发更好的、具有成本效益的复合材料回收利用技术。由于缺乏垃圾填埋空间，尤其是欧洲复合材料和零部件制造商面临着严格的监管任务。他们必须在产品生命结束时回收几乎所有的废物和/或其复合产品。

为促进国际合作，ACMA在建立全球复合材料回收联盟方面发挥了领导作用。它包括6个行业协会、5个实验室、大学和25个来自欧洲、亚洲、北美、非洲和澳大利亚的代表公司。“我们一直在推广合作和传播技术。”ACMA复合材料市场开发副总裁Dan Coughlin说。

该组织在2016年和2017年举行会议，并计划今年再次举行会议。与会者讨论了回收技术和战略；回收纤维和部件的标准开发；促进回收复合材料产品的市场拉动以及克服复合材料回收障碍等主题。

2017年12月23日，SAMPE中国大陆总会“复合材料回收再利用专业委员会”成立大会在上海召开。“复合材料回收再利用专业委员会”的成立将有利于大力推进复合材料在各个领域取得更加重要和广泛的应用，有利于绿色经济的发展和生态环境保护，实现未来可持续发展。

随着复合材料应用领域的增加，面临的风险也在不断增加，因此复合材料的回收再利用已成为一个迫切需要解决的问题。在国家、行业协会及行业企业越来越重视的当下，复合材料的回收再利用将加快发展步伐。