行业热点

Industry Hotspots

碳纤维复合材料(CFRP)的应用(XXVI)——绿色回收利用篇

发布时间:2023-06-08  浏览人数:


1前 言
碳纤维被业界誉为“材料之王”“黑色黄金”。它具有重量轻、强度高和耐腐蚀等特点,被广泛应用于航空、航天、能源、交通、风电叶片、建筑桥梁、军用装备等领域,是国防军工和民用生产生活的重要材料。


图片


 碳纤维复合材料

近年来,随着碳纤维产业进入快速发展期,碳纤维复合材料应用量不断增加,生产过程中产生的废料也越来越多。业内专家指出,碳纤维产业链的各个环节都会产生废弃物,仅生产制造过程中的报废率就高达30%~50%。而且CFRP很难修理,即使一部分损坏也会被废弃。由于碳纤维复合材料在自然条件下不能降解,大量的废品和废料只能进行填埋。据统计,仅2018年全球碳纤维使用量就达到9.26万吨,其中,报废量为3.03万吨。这样不仅会对环境造成污染,也是对资源的极大浪费。




图片


废弃的CFRP


2常温CFRP分解回收技术

研究团队开发了一种在低温下可简单分解CFRP的技术。在溶液中浸泡CFRP的话,短时间就可以将碳纤维与树脂分离,同时可以将树脂原料回收再利用。这项将难以处理的CFRP再次返回到原料,并能全部循环再利用的技术可以说是一项革命性的新技术。这项技术的启发来自于人体内发生的氧化还原反应的结构。

CFRP强大的原因在于碳纤维和塑料的组合。碳纤维不容易断,很结实,但是很容易弯曲。如果用树脂将碳纤维粘合,就会成为兼具轻量和强度的优秀材料,实现惊人的强度的碳纤维和塑料的强有力的结合,但相反,这也是循环再利用大的障碍。


CFRP使用的热固性塑料,一旦凝固,分解非常困难,只能通过长时间燃烧或填埋处理。之前有使用可以破坏CFRP内S-S键的药剂巯基乙醇进行回收,但是药剂毒性太强,既不安全也不环保。


研发团队把目光转向了一种天然生物材料,将该生物材料用水溶解后,再加入有机溶剂,将CFRP放入其中,常温下搅拌数小时后,CFRP中的树脂被溶解到液相中。其原理是利用了生物结构材料的性质,将CFRP中S-S键进行了重组,替换掉树脂中的S-S键,分解后的树脂溶解在有机溶剂中。



图片



 通过替换掉CFRP中的S-S键实现分解

图片

图片

图片

图片

将CFRP浸渍在溶剂中→搅拌后3小时→树脂完全溶解,碳纤维被完全分离出来→CFRP分解后的溶液

3结束语


在不使用有害制剂的情况下,只需在溶液中加入生物材料就可以分解坚固的CFRP并进行再利用的这一技术,有望成为节能、环保时代CFRP普及的关键所在。


参考文献
1) 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)再利用への新戦略、国立研究開発法人物質?材料研究機構、2021