迈向循环经济：碳纤维增强热塑性复合材料的零废制造

纤维增强复合材料在航空航天、汽车和风能等领域因其高强度和轻量化的优势而广泛应用，但传统的热固性树脂基复合材料难以回收，限制了其循环经济的潜力。热塑性树脂基复合材料由于其可回收性，成为替代传统热固性材料的潜在选择。本文探讨了通过回收碳纤维和聚苯硫醚（PPS）制造高性能复合材料的方法，并评估了不同制造工艺对复合材料性能的影响。

循环经济迫在眉睫

在迅速扩大的碳纤维市场中，回收碳纤维的重要性日益凸显。在欧盟，根据《报废车辆指令》（End-of-Life Vehicle Directive），至少 95% 的车辆重量必须被重新回收利用，其中最多10% 可用于能源生产。这对传统的碳纤维增强复合材料带来了巨大挑战，传统热固性基体难以回收，且占比 25% 至 45%。即使将其燃烧用于能源生产，也无法达到 85% 的可回收性要求。

此外，碳纤维市场过去十年年复合增长率达 11.50% - 11.98%。随着其在汽车结构中使用量的持续增加，原生纤维或难满足需求。市场渴求低成本、低能耗的碳纤维。原生碳纤维生产消耗 55-165 kWh/kg，成本约 33-66 美元/kg，而回收碳纤维在性能保留超 95% 的情况下，生产消耗仅 3-10 kWh/kg，成本 5 美元/kg。目前，多达 40% 的碳纤维废料被填埋处理，因此，将其回收用于汽车行业的长纤维复合材料具有显著价值。

l 研究人员使用从碳纤维增强PPS废料，通过模压和注塑成型技术制备了纤维增强复合材料。

l 使用 6.35 mm、#4 (4.75 mm)、#8 (2.36 mm)、#10 (2.0 mm)、#20 (0.85 mm) 和 #40 (0.425 mm) 筛网将回收料进行筛分，以控制纤维长度。

控制光纤长度可保持性能。

本研究制备了以下几种类型的复合材料：

粒子化合物: 使用筛分后的回收料直接压缩成型，纤维长度为 1-5 mm。

预浸料板: 使用 12.7 mm × 12.7 mm 的回收料板或混合回收料压缩成型，纤维长度较长。

微粒复合材料的制造工艺。将 12.7 × 12.7 毫米的回收料和 20 号模塑化合物压制成板，从中提取拉伸试样。

湿法铺层复合材料: 使用混合回收料和原生碳纤维湿法铺层，然后压缩成型，纤维长度较长。

湿铺复合材料的制造工艺。湿法铺设的预型件（a）通过模压工艺加固成有机板（b），然后堆叠并模压成有机板复合材料（c）。

注塑成型复合材料: 使用筛分后的回收料与 PPS 颗粒混合，然后注塑成型，纤维长度较短。

注塑复合材料的制造过程。回收料（a）和商用（b）注塑化合物用于生产拉伸试样（c）

l 以原生 PPS 和含有 50 wt% 碳纤维的商业注塑成型复合材料作为对照组。

l 通过扫描量热法（DSC） 和热重量分析法（TGA）评估了复合材料的耐热性，并通过拉伸测试评估了其力学性能。

l 使用光学显微镜和扫描式电子显微镜（SEM） 研究了复合材料的微观结构，以评估其均匀性。

研究结果

耐热性: 添加碳纤维可以提高 PPS 基体的结晶度，从而提高其结晶温度和 5% 的降解温度。模压成型复合材料的结晶度高于注塑成型复合材料，这与冷却速率有关。

模压成型样品的热性能及注塑成型样品热性能

力学性能: 粒子化合物复合材料的拉伸模量和强度随着纤维长度的减小而降低。预浸料板复合材料在机器方向和交叉方向表现出各向异性，强度较高，但应变率较低。湿法铺层复合材料的纤维分散性较差，导致其强度降低。注塑成型复合材料具有更高的强度和模量，但纤维长度较短。

光学显微镜观察: 粒子化合物复合材料的孔隙率低于 1%，表明其结构致密。预浸料板复合材料的孔隙率高于粒子化合物，这与较低的成型压力和较长的纤维长度有关。湿法铺层复合材料的孔隙率最高，这与原生碳纤维束的分散性较差有关。注塑成型复合材料的纤维分散性较好，但纤维长度较短。

影响复合材料强度的微观结构特性

扫描电子显微镜（SEM）分析: 筛分技术可以有效降低回收复合材料的性能变异，从而获得更一致的力学性能。例如，粒子化合物复合材料的强度差异小于 20%，而湿法铺层复合材料的强度差异可达 50%。

模压成型和注塑成型复合材料失效表面的SEM图像。混合和湿铺复合材料的局部不均匀性越来越严重。纤维拉出现象越来越普遍，表明低于临界纤维长度的纤维数量越来越多。

研究结论

l 筛分技术是一种有效的方法，可以生产具有特定性能的回收复合材料。

l 纤维长度和分散性对回收复合材料的性能至关重要。

l 需要开发新的回收和再制造技术，以保留纤维长度、对齐纤维并确保回收产品的均匀性。

l 发展循环经济对于减少纤维增强复合材料的废物生成至关重要。

本研究表明，通过合理的回收和制造工艺，可以有效地再利用CF/PPS复合材料废料，实现高性能的再生复合材料。关键在于控制纤维长度和分散均匀性，以最大化回收材料的性能。未来的工作应进一步优化回收和制造工艺，以实现循环经济目标，并推动纤维增强复合材料的可持续发展。

参考文献：