碳纤维复合材料废弃物低成本回收技术取得重大进展

　　上海交通大学化学化工学院王新灵教授研究团队的杨斌副教授经过5年艰苦的技术攻关，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，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。目前该项技术已被中国汽车技术研究中心增补到2015年《车用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》行业规范，具有重要的产业应用前景。

　　神秘的“材料之王”从天上走向人间

　　飞机、汽车、自行车、球拍、钓竿、登山杖、船桨、赛艇......人们的日常生活中无处不充斥着碳纤维的身影。碳纤维(Carbon Fiber)是一种由碳元素组成的黑色特种无机高分子纤维，直径5～8微米，只有头发丝的十分之一，密度为钢的四分之一，比强度却是钢的十倍。其分子结构介于石墨与金刚石之间，含碳量一般在9O%以上。

　　因具有强度高、超轻、耐高温高压等特点，由碳纤维制成的热固性树脂基复合材料（简称碳纤维复合材料）被喻为当今世界的“新材料之王”，始终是美、日、德等发达国家多年来重要的国家战略物资，用于制造航天飞船、飞机、通信卫星和尖端武器等。

　　随着碳纤维大规模产业化条件的日渐成熟，碳纤维复合材料的潜力正在被不断开发，开始从“天上”走向“人间”，造福广大百姓。用碳纤维复合材料开发出的多样化民用产品已被广泛应用于民用飞机、汽车工业、风力发电、油田开采、电力设施、建筑等领域。由美国波音公司生产的波音787梦想飞机，其碳纤维复合材料使用量占50%，而且航空业已经把碳纤维复合材料在飞机上的使用量作为技术先进性的重要标志之一。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，某知名汽车品牌部分款型汽车使用了大量的碳纤维复合材料，使整车减重超过30%以上，显著降低了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。

　　“金钟罩”护体百蚀不侵 50亿高回收价值碳纤维面临废弃

　　据预测，全球废弃碳纤维复合材料制品至2020年可达5万吨，其中碳纤维2.5万吨以上，按平均价格200元／千克计算，价值约合人民币50亿元以上。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，其力学强度和电、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。

　　虽然有极高的再利用价值，但在实际操作过程中却阻碍重重。常用的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。有了这层“金钟罩”的保护，想对其进行回收再利用便非常困难，这已经成为了阻碍复合材料发展的瓶颈问题。

　　以前碳纤维复合材料用量少、相应的法律法规不完善，碳纤维复合材料废弃物都是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，政府均已立法禁止。随着碳纤维复合材料的广泛应用，报废的产品是否能如钢铁、铝合金材料经过简单处理再次利用是人们亟待解决的重要挑战。因此把碳纤维复合材料废弃物中的碳纤维回收并重新利用，同时将废弃物中的热固性树脂以能源或材料方式回收，对建设资源节约型、环境友好型和谐社会，响应国内外保护环境、节能减排、可持续发展的号召具有重要意义。

　　5年攻关化解重重阻碍 “变废为宝”填补国内回收领域空白

　　碳纤维复合材料的回收是指通过溶解法或者热解法把碳纤维复合材料中的热固性基体树脂分解成小分子物质，从而将其中的高价值碳纤维分离出来。溶解法是利用特殊化学溶剂或者超临界流体的强溶解性分解复合材料，可最大限度地保留碳纤维的原始性能，但分解时间长、化学溶剂的回收、难以连续化处理以及高温高压超临界装备的高投资，使得该技术离工业化有很大距离。热解法又分为有氧环境下的热解和无氧环境下的热解两种，前者的代表性技术是流化床分解法，该法的基本原理是把预先粉末化的碳纤维复合材料投入到500～600℃流化床反应器内，复合材料中的热固性树脂在被高速热空气流（有氧环境）流态化的过程中燃烧分解，从而分离出碳纤维。受高温及流化中碰撞和砂粒磨损的影响，流化床分解法得到的碳纤维力学性能下降严重，影响再生碳纤维的应用范围，此外还存在再生碳纤维长度短、回收率低等缺陷，目前尚无工业化应用。无氧环境下的热解法又称裂解法，热固性树脂在裂解反应器340～600℃的无氧环境中不发生燃烧、而发生断链降解成有机小分子混合物，该混合物经过重整可用作燃油和燃气为裂解系统提供一定的能量，因此裂解法具有工艺相对简单、能耗较低、所得的碳纤维性能保持率高、连续化可行等特点，是目前唯一达到工业化的回收技术。

　　上海交通大学化学化工学院王新灵教授研究团队在上海市发改委“上海交通大学大型民机创新工程”项目资助下，于2010年前瞻性地由杨斌副教授负责开始从事以规模化碳纤维复合材料废弃物回收技术的研究开发。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，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。目前全球仅德国（ELG Carbon Fibre Ltd）、日本(碳纤维回收工�公司)和美国（MIT-RCF Ltd）的三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。与国际先进技术相比，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，更重要的是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。

　　先进复合材料领域著名专家杜善义院士十分支持及赞赏杨斌副教授在解决碳纤维复合材料应用领域做出的突破性贡献，表示碳纤维复合材料的回收再利用是一个重要的技术问题，更是涉及产业可持续性的战略问题。

　　北京航空材料研究院科技委主任、先进复合材料国家重点实验室主任益小苏教授说:“大家可能都注意到了，国家正在大力推广碳纤维复合材料的应用。回顾我国改革开放三十年走过的道路，不能不说的是，在经济高速发展的时候我们曾经忽略了资源和环境，全国性的雾霾灾难就是这样一个苦果！今天，上海交大已考虑到碳纤维复合材料大量应用之后的环境与资源问题，开发了相应的回收再利用技术，‘山雨欲来，及早绸缪’，真是一个值得表彰的大好事。我在北京建立的“绿色复合材料北京市工程实验室”，与上海交大的考虑异曲同工，因此，建议我们两家建立联系，推进合作，共同为我们美丽家园的绿水蓝天而奋斗，为中国经济的可持续发展而奋斗。”

　　上海交通大学化学化工学院分党委书记朱新远教授说：“碳纤维复合材料废弃物低成本回收以及应用技术”，是我院王新灵教授、杨斌副教授多年努力形成的科技成果，很好的对接国家战略需求、解决碳纤维复合材料快速发展中的一个关键难题；另外，该技术也为碳纤维复合材料在汽车轻量化上应用提供了法规依据，为绿色制造、循环经济提供坚实的基础。我们将依托上海交通大学强大的材料学科，大力促进该项科技成果的转化、实现产业化。”

　　在国家工信部2015年11月17日颁布的“十三五”期间优先发展的205项产业关键共性技术中，作为“智能制造装备”技术之一的“碳纤维复合材料废弃物低成本回收以及应用技术”赫然在目。而上海交大的研究团队在五年前便前瞻性的从事该领域技术装备的开发，目前已经成功解决了航空航天复合材料废弃物不能填埋、在仓库中大量堆积无法消化的问题；未来，该技术将在汽车行业中大放光彩，为汽车轻量化、低碳化发展奠定技术保障。经过中国汽车技术研究中心重点调研及论证，本项技术作为国内唯一一项碳纤维复合材料回收再利用技术，已被增补到2015年《车用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》“已验证再利用技术清单”行业规范中，为碳纤维复合材料在汽车上应用提供了必要的法规依据，相信“利用科技，倡导低碳循环经济，以减轻碳排放”的美好目标将离我们越来越近。