維材料回收利用現(xiàn)狀呈現(xiàn)出多方面特點，全球及中國碳纖維產能持續(xù)增長，2023年全球產能達29.0萬噸/年，國內運行產能為14.08萬噸，產量逐年上漲，市場需求在航空航天、風電葉片、汽車制造等領域持續(xù)擴大，市場規(guī)模不斷攀升，但與此同時，2024年國內碳纖維表觀消費量同比下降5.41%，一定程度上反映出供需結構的變化。

一、碳纖維回收利用的背景

碳纖維在航空航天、汽車、建筑、體育器材等諸多領域廣泛應用，但在其使用過程中的裁剪、切削以及零部件的老化、毀損等情況會產生大量廢舊碳纖維。隨著碳纖維復合材料的廣泛應用，回收利用已成為行業(yè)關注的熱點，這有助于解決資源浪費和環(huán)境污染等問題，并且能在一定程度上填補碳纖維供需空缺，因為大約有30%的碳纖維最終成為廢料，未來幾年碳纖維的年需求量可能超過目前的年產量。

二、碳纖維回收利用技術

（一）高溫熱解法

• 商業(yè)化情況：這是當今唯一已經實現(xiàn)商業(yè)化運營的碳纖維增強復合材料的回收方法。例如日本在福岡縣興建的中試廠，每年可處理碳纖維復合材料廢棄物60t；英國的MilledCarbonFiberLtd.從2003年開始回收加工碳纖維復合材料，是全球首家商業(yè)運營的專業(yè)回收公司，利用一套長達37m的熱分解設備，每年大約可處理2000t的廢棄碳纖維復合材料，所生產的再生碳纖維的產量為1200t。意大利、美國、丹麥、德國等國家也都有相關的高溫熱解工藝研究與應用成果。
• 工藝過程及產物：在高溫下使復合材料進行降解，以得到表面干凈的碳纖維，同時還可以回收部分有機液體燃料。在無氧狀態(tài)下加熱碳纖維復合材料廢棄物，保持溫度在400 - 500°C之間，得到的清潔碳纖維可具有90% - 95%原始纖維的力學性能，分解出的熱解氣或熱解油也可用作熱分解的加熱能量。不過，碳纖維由于受到高溫和表面氧化等作用，力學性能降低的幅度比較大，這將使碳纖維的再利用受到一定的影響。

（二）流化床熱分解法

• 工藝原理：這是一種采用高溫的空氣熱流對碳纖維復合材料進行高溫熱分解的碳纖維回收方法，通常采用旋風分離器來獲得填料顆粒和表面干凈的碳纖維。
• 研究成果與影響：英國諾丁漢大學對于流化床熱分解工藝方法進行了系統(tǒng)研究，結果表明這種方法特別適用于那些含有其他混合物及污染物碳纖維復合材料報廢零部件的回收和利用。大量試驗研究結果表明，流化床分解法受高溫、砂粒磨損等影響，導致碳纖維長度變短和碳纖維力學性能下降，影響所回收碳纖維的實際應用范圍。如在流化溫度500°C、流化速率1m/s、流化時間10min試驗條件下，碳纖維原始表面上的羥基(-OH)轉變?yōu)檠趸潭雀咝┑聂驶?-C = O)和羧基(-COOH)；在溫度450°C的流化熱流，速率為1m/s、流化床上砂粒的平均粒度為0.85mm的條件下回收得到的碳纖維長度為5.9 - 9.5mm，拉伸強度約為原纖維的75%，而彈性模量基本上沒有變化。

（三）超/亞臨界流體法

• 工藝原理：當液體的溫度及壓力處于臨界點或臨界點的附近時，液體的各種性質發(fā)生急劇變化，人們利用超/亞臨界液體對高分子材料的獨特溶解性能來分解碳纖維復合材料，以最大限度地保留碳纖維的原始性能的前提下，獲得到干凈的碳纖維。
• 研究成果：例如PineroHemanzR等研究了在超臨界水中碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料的分解過程，在673K、28MPa下經30min反應，環(huán)氧樹脂的分解率為79.3%，當加入氫氧化鉀(KOH)催化劑，環(huán)氧樹脂的分解率達到95.3%，而且所得到的碳纖維的拉伸強度能夠保持為原始纖維的90% - 98%。

（四）機械回收法

• 工藝原理：利用高溫(500 - 1200°C)使碳纖維復合材料分解，產生氣體、液體和固體產物，釋放出可回收的纖維和熱解產物，例如石墨、焦油和氣體。
• 優(yōu)缺點：適用于處理廢棄碳纖維復合材料，但需要額外的能耗和尾氣處理。

（五）溶劑法

• 工藝原理：使用有機溶劑(例如丙酮、甲苯)溶解碳纖維復合材料中的基體材料，溶解后的基體通過過濾或蒸發(fā)去除，留下碳纖維。
• 考慮因素：適用于回收高價值的碳纖維，但溶劑的成本和環(huán)境影響需要考慮。

（六）微波裂解法

• 工藝原理：利用微波能量對碳纖維復合材料進行加熱和裂解，微波場會產生局部高溫，導致基體材料分解和碳纖維釋放。
• 工藝要求：能耗較低，但需要特殊的微波設備和處理技術。

（七）物理方法

• 碾碎法：通過高速旋轉的粉碎機將廢舊碳纖維粉碎，再通過篩分機將碳纖維粉末分離出來。該方法適用于碳纖維含量較高的碳纖維復合材料。

• 氧化燒蝕法：通過將碳纖維在高溫高氧環(huán)境下進行燒蝕，使其被氧化分解，從而得到氧化碳纖維和無機氧化物。該方法適用于碳纖維含量較低的復合材料。

三、碳纖維回收利用面臨的挑戰(zhàn)

• 行業(yè)發(fā)展階段：復合材料回收產業(yè)相對年輕，對于源自回收材料的再生碳纖維而言，仍處在市場開發(fā)的早期階段。

• 質量信心與成本可用性：隨著市場對回收廠商生產的纖維質量信心的增加，成本和可用性的問題被提上議事日程。

• 供應鏈安全：對供應鏈安全性的關注，是該行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。技術雖然存在，但供應鏈還沒有得到審核，沒有合適組合的情況下，即使有最好的技術，也不能繼續(xù)獲得可回收的材料，也不會有任何產品可以使用再生纖維。

四、碳纖維回收利用的商業(yè)合作與發(fā)展前景

• 商業(yè)合作方面：商業(yè)供應商通常將航空工業(yè)看作是獲取生產廢料的來源，并將使用壽命結束后的材料用作回收材料。例如2018年12月，波音公司宣布，其將為英國ELG碳纖維有限公司供應固化的和未固化的碳纖維廢料，以將其回收重新用于生產其他復合材料制造中使用的二次產品，這是碳纖維回收企業(yè)與主流的飛機OEM之間確立的第一個正式的材料供應關系，這對行業(yè)發(fā)展是個好兆頭。
• 發(fā)展前景方面：一些分析家估計到2022年碳纖維需求可能超過供給大約24000t，而回收和再利用的材料可以作為解決這一供需缺口的潛在方案，所以碳纖維回收利用有著較好的發(fā)展前景，但仍需要克服諸多挑戰(zhàn)。

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