碳纤维复合材料再生利用技术及应用前景分析-----访上海交通大学化学化工学院、SAMPE中国“复合材料回收再利用专委会”秘书长杨斌副教授

来源:荣格

发布时间:2018年11月8日下午 11:11:25

强度高、超轻、耐高温高压的碳纤维复合材料被喻为“新材料之王”。随着大规模产业化条件的日渐成熟,它除了用于制造航天飞船、飞机、通信卫星和尖端武器等领域外,也逐步走向“人间”,从民用飞机、汽车工业、风力发电到油田开采、电力设施、建筑等都有广泛应用。例如,波音787梦想飞机的碳纤维复合材料使用量占50%;在汽车领域,作为实现轻量化目标的主要技术,碳纤维复合材料代替钢材能够使汽车零部件重量减少50%以上,显著降低油耗以及二氧化碳的排放量。我国也在积极推进碳纤维复合材料在普通家用汽车上的应用。

强度高、超轻、耐高温高压的碳纤维复合材料被喻为“新材料之王”。随着大规模产业化条件的日渐成熟,它除了用于制造航天飞船、飞机、通信卫星和尖端武器等领域外,也逐步走向“人间”,从民用飞机、汽车工业、风力发电到油田开采、电力设施、建筑等都有广泛应用。例如,波音787梦想飞机的碳纤维复合材料使用量占50%;在汽车领域,作为实现轻量化目标的主要技术,碳纤维复合材料代替钢材能够使汽车零部件重量减少50%以上,显著降低油耗以及二氧化碳的排放量。我国也在积极推进碳纤维复合材料在普通家用汽车上的应用。

然而其复合材料废弃物中的碳纤维却极难回收再利用。上海交通大学化学化工学院成功开发了国内第一项拥有完全自主知识产权的碳纤维复合材料废弃物新型裂解回收技术和装备,并已达到具有国际水平的规模化生产能力,填补了国内该领域的空白。本期“会客室”我们邀请该研发项目的负责人——上海交通大学化学化工学院副教授、SAMPE中国“复合材料回收再利用专委会”秘书长杨斌女士坐客,与我们一起聊聊回收碳纤维材料的应用与未来。

碳纤维复合材料循环利用的重要意义

大规模应用的另一面,是碳纤维材料的废弃物处理问题。“昂贵的碳纤维废料被回收和再利用可以减少价值损失,并且可以最大限度地提高碳纤维的环境效益。”杨教授表示,“首先,碳纤维报废量很大,制造过程中的报废率通常在30%-50%。比如,用于航空业的材料报废率通常为30%。这些原料大多来自高等级预浸碳纤维,回收碳纤维可以再应用于飞机内饰、汽车应用、消费电子产品和体育用品中,为下游的消费者提供更便宜的碳纤维产品。其次是废料处理困难,碳纤维复合材料主要由碳纤维和热固性树脂复合而成,具有不溶不熔的特性,通过掩埋或者焚烧方法处理,既污染环境、也造成严重的资源浪费,已被法律所禁止。第三,碳纤维本身具有很高的价值,其本身的生产过制造能耗高达286MJ/kg,是钢的6.4倍,如果不能很好的回收利用,将是严重的资源浪费。”

2017年,我国碳纤维使用量2.4万吨,其中,报废量0.44万吨。按最低价12万元/吨来计算,报废碳纤维价值达到了5.28亿元。2017年全球碳纤维使用量为8.4万吨,其中,报废量2.72万吨,按最低价12万元/吨计算,报废碳纤维价值32.6亿元。每100千克航空碳纤维复合材料废弃物中,就有大约60~70千克的碳纤维,这些碳纤维仍然具有极高的再利用价值,其力学强度有85%以上的保持率、而电、磁、热性能几乎与原有碳纤维相当,可用来重新制备高性能复合材料。

此外,碳纤维复合材料应用市场正处于迅速发展时期,需求年增长率超过了12%,且供不应求。“寻找碳纤维复合材料废弃物的回收并重新利用方式,对保护环境、节能减排、可持续发展具有重要意义。”杨教授说。

近年来,相关产业政策的出台也体现出各国政府对碳纤维回收再利用的支持。例如,欧盟end-of-life-vehicle(ELV)要求2015年后汽车上95%的材料可以回收利用。碳纤维复合材料的回收,曾经被视为不可行,现在已经变成必须做的事情(must-do)。目前,一辆汽车的典型碳排放是115gCO2/km,2021年的目标是95g CO2/km,不达标的处罚将会非常严厉,一个大型汽车厂商可能会面临10亿美金的罚款。

中国的汽车排放指标也大幅提高,依据中国汽车技术研究中心《汽车产品回收利用技术政策》,要求到2017年,所有国产及进口汽车上所使用的材料,不低于85%为可回收再利用材料,所有车辆的回收利用率不低于95%。

在国家工信部2017年10月颁布的“十三五”期间优先发展的174项产业关键共性技术中, “碳纤维复合材料废弃物低成本回收及其应用技术”也赫然在目。

再生碳纤维的最新技术与成本分析

杨教授表示,目前,全球碳纤维复合材料废弃物的回收方法主要有3种,包括物理回收(机械法:降级利用、粉碎利用)、化学处理(亚临界流体、超临界流体、定向降解、普通溶剂等)和热解处理(裂解、有氧热解、微波热解、熔盐热解等)。其中,裂解技术是目前唯一可行的工业化技术。采用无氧裂解技术,碳纤维已经实现了工业化回收。

“碳纤维回收能否实现工业化的关键在于:回收成本低、再生碳纤维性能高。上海交通大学化工学院杨斌教授课题组经过5年艰苦的技术攻关,针对裂解法固有的缺陷,创新性地提出了完善的解决方案,同时解决了工程放大中遇到的一系列关键问题,于2016年成功开发了国内第一项拥有完全自主知识产权的规模化的新型裂解回收技术和装备,碳纤维复合材料废弃物的年处理能力超过200吨。”杨教授介绍说,“目前全球仅英国、日本、美国以及德国的几家公司拥有回收处理碳纤维复合材料废弃物的产业化技术。”
上海交通大学的200吨/年规模化回收技术,具有成本低(能耗<20%新碳纤维)、无三废(只产生二氧化碳、水)、品质高(可生产强度>85%新碳纤维)的特点。此外,上海交通大学的回收技术具有废弃物处理前可保留大尺寸的特点,这样既免除了废弃物切割、粉碎的工序,更保持了再生碳纤维的足够长度、提高了碳纤维再利用的价值。“该项技术得到的再生碳纤维的性能和单位能耗均达到了国际水平,填补了国内该领域的空白。”

再生碳纤维的机遇:碳纤维在汽车/新能源汽车应用的思考

再生碳纤维(rCF)的再利用产品包括:碳纤维毡(适用于封闭的模塑加工或中间产品的生产如半固化或者片状模塑化合物材料)、短切碳纤维(可应用于制造热固性和热塑性注模材料)、碳纤维粉(可被应用于增强热固性和热塑性的化合物)。已开发的十几种再生碳纤维部件包括:卫星天线、体育运动滑板、汽车零部件(如座椅靠背板、车顶盖等)、自行车部件、中空机器人手臂等。

对于汽车制造商来说,使用再生碳纤维对环境的影响是减少的。再生纤维能源强度只有原始纤维的10%左右,这一节省十分重要。再生碳纤维在汽车领域的应用极为广阔。

“一款量产的燃料电池车对碳纤维的需求,就可能大于当今碳纤维全球用量。”杨教授说。其中应用于压力容器(35&70MPA压力罐),50万台燃料电池车需要约30,000吨碳纤维;应用于气体扩散层(碳纤维纸、织物或毡),50万台燃料电池车需要约9,250吨碳纤维;应用于节能(燃料汽车轻量化),50万台燃料电池车需要约5000~50,000吨碳纤维。

再生碳纤维二次利用的实例

宝马汽车:宝马公司因其在i3和i8汽车上对复合材料的渐进应用而受到了广泛关注。早在2016年宝马的汽车零部件就获得了当年JEC“循环利用类”创新奖。2016年3月,宝马“百年庆典”全球首发的概念车“BMWVISIONNEXT100”,采用了多种环保材料,其车身(如侧围板)、外观&内饰上均大量使用了再生碳纤维复合材料。其他应用还包括宝马i3、i8的车顶盖、宝马7系列的C柱、行李箱隔板等。

福特汽车A柱支架:福特在2018年款的探索者运动型多用途车SUV中使用了再生碳纤维增强聚丙烯PP复合材料,用于A柱支架的刚性部分,代替原来使用的ASA材料。新采用的短切再生碳纤维增强PP材料PP/CF可与直接使用现有的模具成型,并与热塑性弹性体具有很好兼容性。再生碳纤维是从飞机、自行车和其他来源的复合材料废弃物中回收而来的。采用碳纤维复合材料应用在内外饰件上,这种新的硬/软材料系统被描述为更具成本效益。这种新材料的使用带来的显著优势是减重和降低成本。该零部件在保持各项所要求性能的同时重量减少了14%,并且每年有186000美元的成本降低。

壳牌全再生碳纤维车身:2016年4月,荷兰壳牌集团发布轻量化城市通勤概念车,整车重量550公斤,车身完全由再生碳纤维复合材料制造。整车的组装价格降低到传统钢材车的四分之一,全生命周期能源消耗降低34%,其中制造能耗、行驶阶段能耗降低50%。在使用周期结束后,几乎整部车子都可以循环回收。

再生碳纤维的发展及思考

杨教授表示,近年来,我国出台了多个对碳纤维回收再利用支持的产业政策。未来还会建立废弃物收集管理制度。制定回收标准,将我国的再生碳纤维产品标准化。在技术上,实现上下游企业结合与联合开发;进一步加强回收技术的研发,实现高效率、低成本。开发再生碳纤维的再利用技术从而提高附加价值。最终结果是建立绿色循环的碳纤维产业链。

杨教授最后说:“我们可以预见到,回收碳纤维作为一种新材料,由于它力学性能优异、生产成本低、经济价值高,将会在汽车轻量化、节能减排等领域具有优异的表现。”■

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