維材料回收利用現(xiàn)狀呈現(xiàn)出多方面特點(diǎn)，全球及中國碳纖維產(chǎn)能持續(xù)增長，2023年全球產(chǎn)能達(dá)29.0萬噸/年，國內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)能為14.08萬噸，產(chǎn)量逐年上漲，市場需求在航空航天、風(fēng)電葉片、汽車制造等領(lǐng)域持續(xù)擴(kuò)大，市場規(guī)模不斷攀升，但與此同時(shí)，2024年國內(nèi)碳纖維表觀消費(fèi)量同比下降5.41%，一定程度上反映出供需結(jié)構(gòu)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(lǐng)域廣泛應(yīng)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(chǎn)生大量廢舊碳纖維。隨著碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，回收利用已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，這有助于解決資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等問題，并且能在一定程度上填補(bǔ)碳纖維供需空缺，因?yàn)榇蠹s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(chǎn)量。

二、碳纖維回收利用技術(shù)

（一）高溫?zé)峤夥?/h3>

• 商業(yè)化情況：這是當(dāng)今唯一已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營的碳纖維增強(qiáng)復(fù)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(fù)合材料廢棄物60t；英國的MilledCarbonFiberLtd.從2003年開始回收加工碳纖維復(fù)合材料，是全球首家商業(yè)運(yùn)營的專業(yè)回收公司，利用一套長達(dá)37m的熱分解設(shè)備，每年大約可處理2000t的廢棄碳纖維復(fù)合材料，所生產(chǎn)的再生碳纖維的產(chǎn)量為1200t。意大利、美國、丹麥、德國等國家也都有相關(guān)的高溫?zé)峤夤に囇芯颗c應(yīng)用成果。
• 工藝過程及產(chǎn)物：在高溫下使復(fù)合材料進(jìn)行降解，以得到表面干凈的碳纖維，同時(shí)還可以回收部分有機(jī)液體燃料。在無氧狀態(tài)下加熱碳纖維復(fù)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(xué)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(xué)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(fù)合材料進(jìn)行高溫?zé)岱纸獾奶祭w維回收方法，通常采用旋風(fēng)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(xué)對于流化床熱分解工藝方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)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(fù)合材料報(bào)廢零部件的回收和利用。大量試驗(yàn)研究結(jié)果表明，流化床分解法受高溫、砂粒磨損等影響，導(dǎo)致碳纖維長度變短和碳纖維力學(xué)性能下降，影響所回收碳纖維的實(shí)際應(yīng)用范圍。如在流化溫度500°C、流化速率1m/s、流化時(shí)間10min試驗(yàn)條件下，碳纖維原始表面上的羥基(-OH)轉(zhuǎn)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(qiáng)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(dāng)液體的溫度及壓力處于臨界點(diǎn)或臨界點(diǎn)的附近時(shí)，液體的各種性質(zhì)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(dú)特溶解性能來分解碳纖維復(fù)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(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的分解過程，在673K、28MPa下經(jīng)30min反應(yīng)，環(huán)氧樹脂的分解率為79.3%，當(dāng)加入氫氧化鉀(KOH)催化劑，環(huán)氧樹脂的分解率達(dá)到95.3%，而且所得到的碳纖維的拉伸強(qiáng)度能夠保持為原始纖維的90% - 98%。

（四）機(jī)械回收法

• 工藝原理：利用高溫(500 - 1200°C)使碳纖維復(fù)合材料分解，產(chǎn)生氣體、液體和固體產(chǎn)物，釋放出可回收的纖維和熱解產(chǎn)物，例如石墨、焦油和氣體。
• 優(yōu)缺點(diǎn)：適用于處理廢棄碳纖維復(fù)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(jī)溶劑(例如丙酮、甲苯)溶解碳纖維復(fù)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(jià)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(fù)合材料進(jìn)行加熱和裂解，微波場會產(chǎn)生局部高溫，導(dǎo)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(shè)備和處理技術(shù)。

（七）物理方法

• 碾碎法：通過高速旋轉(zhuǎn)的粉碎機(jī)將廢舊碳纖維粉碎，再通過篩分機(jī)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(fù)合材料。

• 氧化燒蝕法：通過將碳纖維在高溫高氧環(huán)境下進(jìn)行燒蝕，使其被氧化分解，從而得到氧化碳纖維和無機(jī)氧化物。該方法適用于碳纖維含量較低的復(fù)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(fù)合材料回收產(chǎn)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(zhì)量信心與成本可用性：隨著市場對回收廠商生產(chǎn)的纖維質(zhì)量信心的增加，成本和可用性的問題被提上議事日程。

• 供應(yīng)鏈安全：對供應(yīng)鏈安全性的關(guān)注，是該行業(yè)面臨的最大挑戰(zhàn)。技術(shù)雖然存在，但供應(yīng)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(shù)，也不能繼續(xù)獲得可回收的材料，也不會有任何產(chǎn)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(yīng)商通常將航空工業(yè)看作是獲取生產(chǎn)廢料的來源，并將使用壽命結(jié)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(yīng)固化的和未固化的碳纖維廢料，以將其回收重新用于生產(chǎn)其他復(fù)合材料制造中使用的二次產(chǎn)品，這是碳纖維回收企業(yè)與主流的飛機(jī)OEM之間確立的第一個(gè)正式的材料供應(yīng)關(guān)系，這對行業(yè)發(fā)展是個(gè)好兆頭。
• 發(fā)展前景方面：一些分析家估計(jì)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)。

碳纖維回收技術(shù)的最新進(jìn)展

碳纖維回收成本與經(jīng)濟(jì)效益分析

碳纖維回收產(chǎn)業(yè)鏈的構(gòu)建難點(diǎn)

碳纖維回收利用的環(huán)保效益評估