碳纖維復合材料的應用優(yōu)勢在于輕量化、高強度、高模量、耐腐蝕、耐高溫等,這些優(yōu)勢與航空航天等領(lǐng)域的需求較為匹配。我國是新千年后航空航天領(lǐng)域發(fā)展最為迅速的國家之一,碳纖維復合材料的應用需求急劇上升,目前中低端碳纖維基本實(shí)現自給自足,但高端碳纖維及復合材料的缺口仍然巨大。隨著(zhù)碳纖維技術(shù)的進(jìn)步,熱塑性碳纖維逐步進(jìn)入視野,這是一種可重塑且可回收的新型復合材料類(lèi)型,是碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。智上新材以碳纖維復合材料回收為入口,結合當下主流的回收處理方式,進(jìn)行較為詳細的解析介紹。
  
 
  碳纖維復合材料的回收處理方式解析
  
  1、機械加工處理方式:
  
  機械回收加工處理通常分多個(gè)步驟,將碳纖維復合材料廢料粉碎至50-100mm尺寸,再研磨或銑削至50μm-10mm尺寸,利用旋風(fēng)分離機、之字形空氣分級機等設備將之分離成不同尺寸規格,回收粉末狀復合材料和纖維狀碳絲。其中富含樹(shù)脂的粉末通過(guò)作為填料使用,可應用道路建設等行業(yè);碳纖維部分仍然可作為增強體材料使用,只是纖維尺寸較短,保留的機械性能有限,可能與新基體的粘合效果較差,最終導致新的復合材料的整體性能下降明顯,甚至低于50%。
  
 
  2、熱處理方式:
  
  熱加工意味著(zhù)通過(guò)熱能處理?yè)]發(fā)去除復合材料中的樹(shù)脂,最終回收可用的碳纖維部分,在處理過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生氣體、液體或無(wú)機物等副產(chǎn)品,這些副產(chǎn)品往往沒(méi)有利用價(jià)值,而且很可能造成環(huán)境污染。目前熱處理方式有幾個(gè)不同的方向,分別是水泥窯燃料、熱降解、流化床氧化和微波輔助熱降解。
  
  a、水泥窯燃料:將碳纖維復合材料作為水泥行業(yè)加工流程中的燃料,經(jīng)過(guò)粉碎步驟后,引入水泥窯中進(jìn)行充分的燃燒處理。復合材料廢料中的有機部分會(huì )產(chǎn)生熱能供給給烘箱,而礦物質(zhì)部分則進(jìn)入熟料的成分。這種方式可以實(shí)現較大程度的材料回收和能量回收,但回收的碳纖維無(wú)法直接作為增強體再次直接使用。
  
 
  b、熱降解:熱降解是目前使用的最多的一種熱處理方式,復合材料廢料在無(wú)氧環(huán)境下經(jīng)過(guò)高溫處理(溫度通常為450~700℃),降解基體的同時(shí),分離出碳纖維。降解過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一定的固體殘留和氣體,可作為燃料使用。熱降解可以回收長(cháng)纖維和連續纖維的復合材料,可以在降解后引入空氣對表面碳污染的長(cháng)纖維進(jìn)行氧化處理,分理出完整的纖維部分。該處理方式會(huì )在碳纖維表面形成富氧環(huán)境,為后續再利用時(shí)與新基體粘合時(shí)提供幫助。
  
 
  c、流化床氧化:將復合材料廢料粉碎至6-20mm尺寸后,放入金屬網(wǎng)上的硅砂床中,暴露于熱且富氧的氣流中,并在其中發(fā)生燃燒,其中樹(shù)脂將分解成氧化分子,纖維絲得以較好的保留,同時(shí)被氣流帶走。燃燒中產(chǎn)生較重的顆粒會(huì )沉入硅砂床中,該處理方式對于具有涂漆表面、泡沫芯或金屬嵌件的受污染的報廢產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的優(yōu)勢。旋風(fēng)分離機可以回收長(cháng)度5-10mm的碳纖維絲,基體部分因為完全氧化而極少發(fā)生殘留,不影響碳纖維絲的后續使用。經(jīng)過(guò)反復實(shí)驗,發(fā)現在550°C下處理時(shí),碳纖維含量損失最少,僅為25%,且具有與新基體粘合的良好潛力。
  
  d、微波輔助熱降解:微波技術(shù)在于使用波長(cháng)介于0.01m和1m之間的電磁輻,微波可以分解為兩個(gè)垂直分量:電場(chǎng)和磁場(chǎng)。同熱降解方式比較起來(lái),微博輔助熱降解的熱量是直接從內部加熱材料,從而實(shí)現更快的熱傳遞,另外具有不錯的節能作用。微波輔助熱降解對比普通熱降解來(lái)說(shuō),降解效果更好,而且不會(huì )因為高溫而對回收的碳纖維造成較為嚴重的損壞。
  
 
  3、化學(xué)工藝處理方式:
  
  使用化學(xué)工藝需要在低溫(<350°C)下運行的反應介質(zhì)來(lái)降解樹(shù)脂。在溶劑的作用下,復合材料的基體分解成低聚物,而纖維保持惰性,可以回收以供進(jìn)一步使用。通過(guò)助溶劑或催化劑結合的反應性溶劑擴散到復合材料中并破壞特定的鍵,可以分離出長(cháng)而干凈的纖維部分,并且保留了較好的機械性能。
 
  化學(xué)試劑處理在理論上可以更好的回收碳纖維部分,但是在實(shí)際操作中卻會(huì )遇到比較大的困難。由于可用溶劑范圍很廣,而且溫度、壓力、催化劑等因素都會(huì )對化學(xué)工藝回收碳纖維造成影響,需要反復調整試劑和其他參數的配比,大量的實(shí)驗才能找到合適的回收方案。
  
  另外該回收方式需要能夠抵抗腐蝕環(huán)境、存儲危險溶劑和在達到超臨界條件時(shí)承受溫度與壓力的昂貴設備。實(shí)驗室小規模研究可以證實(shí)工藝的可行性,但在工業(yè)上大規模應用來(lái)說(shuō),投資成本較大。
  
 
  以上內容中介紹的傳統工藝回收碳纖維復合材料廢料的方法,理論上都是可行的,而且實(shí)驗室中也是證明合理的,只不過(guò)加入市場(chǎng)、規模、成本等因素后,就顯得不那么“合理”了。碳纖維產(chǎn)業(yè)期待更環(huán)保、更便捷的回收方式,因此熱塑性碳纖維復合材料被寄予厚望。智上新材作為國內少數可以批量制備連續碳纖維熱塑性復合材料單向帶的廠(chǎng)家,認為即便是在熱塑性碳纖維技術(shù)尚未完全成熟的前提下,提升回收碳纖維方面的能力和效率也是非常重要的,未雨綢繆才能讓碳纖維產(chǎn)業(yè)走的更遠。