碳纖維復合材料廢棄物低成本回收技術取得重大進展

　　上海交通大學化學化工學院王新靈教授研究團隊的楊斌副教授經過5年艱苦的技術攻關，成功開發了國內第一項擁有完全自主知識產權的碳纖維復合材料廢棄物新型裂解回收技術和裝備，已達到具有國際水平的規模化生產能力，填補了國內該領域的空白。目前該項技術已被中國汽車技術研究中心增補到2015年《車用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》行業規范，具有重要的產業應用前景。

　　神秘的“材料之王”從天上走向人間

　　飛機、汽車、自行車、球拍、釣竿、登山杖、船槳、賽艇......人們的日常生活中無處不充斥著碳纖維的身影。碳纖維(Carbon Fiber)是一種由碳元素組成的黑色特種無機高分子纖維，直徑5～8微米，只有頭發絲的十分之一，密度為鋼的四分之一，比強度卻是鋼的十倍。其分子結構介于石墨與金剛石之間，含碳量一般在9O%以上。

　　因具有強度高、超輕、耐高溫高壓等特點，由碳纖維制成的熱固性樹脂基復合材料（簡稱碳纖維復合材料）被喻為當今世界的“新材料之王”，始終是美、日、德等發達國家多年來重要的國家戰略物資，用于制造航天飛船、飛機、通信衛星和尖端武器等。

　　隨著碳纖維大規模產業化條件的日漸成熟，碳纖維復合材料的潛力正在被不斷開發，開始從“天上”走向“人間”，造福廣大百姓。用碳纖維復合材料開發出的多樣化民用產品已被廣泛應用于民用飛機、汽車工業、風力發電、油田開采、電力設施、建筑等領域。由美國波音公司生產的波音787夢想飛機，其碳纖維復合材料使用量占50%，而且航空業已經把碳纖維復合材料在飛機上的使用量作為技術先進性的重要標志之一。在汽車領域，作為實現輕量化目標的主要技術，碳纖維復合材料代替鋼材能夠使汽車零部件重量減少50%以上，某知名汽車品牌部分款型汽車使用了大量的碳纖維復合材料，使整車減重超過30%以上，顯著降低了油耗以及二氧化碳的排放量。我國也在積極推進碳纖維復合材料在普通家用汽車上的應用。

　　“金鐘罩”護體百蝕不侵 50億高回收價值碳纖維面臨廢棄

　　據預測，全球廢棄碳纖維復合材料制品至2020年可達5萬噸，其中碳纖維2.5萬噸以上，按平均價格200元／千克計算，價值約合人民幣50億元以上。每100千克航空碳纖維復合材料廢棄物中，就有大約60～70千克的碳纖維，這些碳纖維仍然具有極高的再利用價值，其力學強度和電、磁、熱性能幾乎與原有碳纖維相當，可用來重新制備高性能復合材料。

　　雖然有極高的再利用價值，但在實際操作過程中卻阻礙重重。常用的碳纖維復合材料主要由碳纖維和熱固性樹脂復合而成，具有不溶不熔的特性。有了這層“金鐘罩”的保護，想對其進行回收再利用便非常困難，這已經成為了阻礙復合材料發展的瓶頸問題。

　　以前碳纖維復合材料用量少、相應的法律法規不完善，碳纖維復合材料廢棄物都是通過掩埋或者焚燒方法處理，既污染環境、也造成嚴重的資源浪費，政府均已立法禁止。隨著碳纖維復合材料的廣泛應用，報廢的產品是否能如鋼鐵、鋁合金材料經過簡單處理再次利用是人們亟待解決的重要挑戰。因此把碳纖維復合材料廢棄物中的碳纖維回收并重新利用，同時將廢棄物中的熱固性樹脂以能源或材料方式回收，對建設資源節約型、環境友好型和諧社會，響應國內外保護環境、節能減排、可持續發展的號召具有重要意義。

　　5年攻關化解重重阻礙 “變廢為寶”填補國內回收領域空白

　　碳纖維復合材料的回收是指通過溶解法或者熱解法把碳纖維復合材料中的熱固性基體樹脂分解成小分子物質，從而將其中的高價值碳纖維分離出來。溶解法是利用特殊化學溶劑或者超臨界流體的強溶解性分解復合材料，可最大限度地保留碳纖維的原始性能，但分解時間長、化學溶劑的回收、難以連續化處理以及高溫高壓超臨界裝備的高投資，使得該技術離工業化有很大距離。熱解法又分為有氧環境下的熱解和無氧環境下的熱解兩種，前者的代表性技術是流化床分解法，該法的基本原理是把預先粉末化的碳纖維復合材料投入到500～600℃流化床反應器內，復合材料中的熱固性樹脂在被高速熱空氣流（有氧環境）流態化的過程中燃燒分解，從而分離出碳纖維。受高溫及流化中碰撞和砂粒磨損的影響，流化床分解法得到的碳纖維力學性能下降嚴重，影響再生碳纖維的應用范圍，此外還存在再生碳纖維長度短、回收率低等缺陷，目前尚無工業化應用。無氧環境下的熱解法又稱裂解法，熱固性樹脂在裂解反應器340～600℃的無氧環境中不發生燃燒、而發生斷鏈降解成有機小分子混合物，該混合物經過重整可用作燃油和燃氣為裂解系統提供一定的能量，因此裂解法具有工藝相對簡單、能耗較低、所得的碳纖維性能保持率高、連續化可行等特點，是目前唯一達到工業化的回收技術。

　　上海交通大學化學化工學院王新靈教授研究團隊在上海市發改委“上海交通大學大型民機創新工程”項目資助下，于2010年前瞻性地由楊斌副教授負責開始從事以規模化碳纖維復合材料廢棄物回收技術的研究開發。經過5年艱苦的技術攻關，針對裂解法固有的缺陷，創新性地提出了完善的解決方案，同時解決了工程放大中遇到的一系列關鍵問題，成功開發了國內第一項擁有完全自主知識產權的規模化的新型裂解回收技術和裝備，碳纖維復合材料廢棄物的年處理能力超過200噸。目前全球僅德國（ELG Carbon Fibre Ltd）、日本(碳纖維回收工?公司)和美國（MIT-RCF Ltd）的三家公司擁有回收處理碳纖維復合材料廢棄物的產業化技術。與國際先進技術相比，上海交通大學的回收技術具有廢棄物處理前可保留大尺寸的特點，這樣既免除了廢棄物切割、粉碎的工序，更重要的是保持了再生碳纖維的足夠長度、提高了碳纖維再利用的價值。該項技術得到的再生碳纖維的性能和單位能耗均達到了國際水平，填補了國內該領域的空白。

　　先進復合材料領域著名專家杜善義院士十分支持及贊賞楊斌副教授在解決碳纖維復合材料應用領域做出的突破性貢獻，表示碳纖維復合材料的回收再利用是一個重要的技術問題，更是涉及產業可持續性的戰略問題。

　　北京航空材料研究院科技委主任、先進復合材料國家重點實驗室主任益小蘇教授說:“大家可能都注意到了，國家正在大力推廣碳纖維復合材料的應用。回顧我國改革開放三十年走過的道路，不能不說的是，在經濟高速發展的時候我們曾經忽略了資源和環境，全國性的霧霾災難就是這樣一個苦果！今天，上海交大已考慮到碳纖維復合材料大量應用之后的環境與資源問題，開發了相應的回收再利用技術，‘山雨欲來，及早綢繆’，真是一個值得表彰的大好事。我在北京建立的“綠色復合材料北京市工程實驗室”，與上海交大的考慮異曲同工，因此，建議我們兩家建立聯系，推進合作，共同為我們美麗家園的綠水藍天而奮斗，為中國經濟的可持續發展而奮斗。”

　　上海交通大學化學化工學院分黨委書記朱新遠教授說：“碳纖維復合材料廢棄物低成本回收以及應用技術”，是我院王新靈教授、楊斌副教授多年努力形成的科技成果，很好的對接國家戰略需求、解決碳纖維復合材料快速發展中的一個關鍵難題；另外，該技術也為碳纖維復合材料在汽車輕量化上應用提供了法規依據，為綠色制造、循環經濟提供堅實的基礎。我們將依托上海交通大學強大的材料學科，大力促進該項科技成果的轉化、實現產業化。”

　　在國家工信部2015年11月17日頒布的“十三五”期間優先發展的205項產業關鍵共性技術中，作為“智能制造裝備”技術之一的“碳纖維復合材料廢棄物低成本回收以及應用技術”赫然在目。而上海交大的研究團隊在五年前便前瞻性的從事該領域技術裝備的開發，目前已經成功解決了航空航天復合材料廢棄物不能填埋、在倉庫中大量堆積無法消化的問題；未來，該技術將在汽車行業中大放光彩，為汽車輕量化、低碳化發展奠定技術保障。經過中國汽車技術研究中心重點調研及論證，本項技術作為國內唯一一項碳纖維復合材料回收再利用技術，已被增補到2015年《車用材料可再利用性和可回收利用性通用判定指南》“已驗證再利用技術清單”行業規范中，為碳纖維復合材料在汽車上應用提供了必要的法規依據，相信“利用科技，倡導低碳循環經濟，以減輕碳排放”的美好目標將離我們越來越近。