不同聚合物及其复合材料回收再利用技术的发展趋势（一）

1 引言

多年来，材料科学领域的快速发展促进了新型材料的有效发展，在许多工程应用中，这些材料正在取代传统的金属材料和合金。将两种具有不同特征的材料协同组合在一起，就形成复合材料。能够用于开发复合材料的原材料有聚合物、金属和陶瓷等。在所有复合材料种类中，聚合物复合材料由于它们的高强度、低重量、良好的耐腐蚀性和优异的抗疲劳性使这些材料广泛应用于满飞机和汽车行业。这些聚合物复合材料的增强体主要有碳纤维（CF）和玻璃纤维（GF）两种。据统计，飞机结构由超过50%的复合材料组成主要以碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）的形式存在，例如波音公司787包含约32吨这样的复合材料。此外不同的航空公司，如空客A350、庞巴迪和EMBRAER广泛使用纤维金属层压板（FML）复合材料。FML是另一类包含CFRP的复合材料（包含GFRP和金属合金薄板）。除了合成的纤维和金属，基体通常选用环氧树脂。热固性聚合物的稳定性不受环境因素（如湿度、温度变化）的影响，且耐腐蚀性优异。不可避免的是，这些成分导致了产生更高数量的塑料垃圾，让研究人员不得不努力去处理垃圾问题。

根据2015年英国供应链复合材料废物报告，几乎98%的复合材料废物和报废（EOL）成分埋在垃圾填埋场内。绝大多数国家主要依靠传统垃圾处理废物，如焚烧和填埋复合废物，纤维增强聚合物（FRPs）主要采用填埋方式处理。焚烧处理期间回收的能量，取决于焚烧炉的效率和复合材料的能量含量。研究表明，通过碳纤维增强塑料废物的四级回收（焚烧）可产生大约30 MJ/kg的能量。这些处理方式并不环保，焚烧产生大量的CO₂影响环境，而填埋导致不同的地下水问题。一些欧洲国家正在禁止使用垃圾填埋场，并计划到2030年将城市垃圾减少10%。此外，欧盟委员会对建筑垃圾、车辆和材料的废物管理制定了严格的法规，迫使复合材料消费行业探索新型高效的废料回收方式。从生态保护和可持续发展看，不同处理复合材料废物的方法如图1所示。

图1：不同处理复合材料废物生态友好、经济和可持续发展的方式方法

回收通常是指废物的再利用，废物回收或转化为产品、材料或成分需要的过程。循环经济也称为零废物制造，这是一种工业系统，允许产品在制造后可以重复制造、再利用和再循环的方式。当代世界，相关行业可以通过设计闭环循环方式发展循环经济。此外，由于复合材料的导电性，其有效物理特性便于转换回收。总之循环经济不仅有助于消除有毒物质和废物，还能促进开发出具有适当机械性能的产品。

在21世纪，全球对聚合物复合材料的需求在不同的工业领域应用中呈指数增长，这也表示对聚合物复合材料废物处理将面临巨大的挑战。据统计，不同聚合物的数量和消费呈指数增长，CFs的全球产量约为每年350000吨。此外，据估计，到2050年，塑料垃圾产生量约为250亿吨。回收利用的唯一可行解决方案是通过循环经济，这也有助于更好地利用EOL复合材料和塑料废物。自然资源的利用，如采用天然纤维（NF）、多糖（淀粉、面筋和纤维素），以及复合材料中的其他天然生物聚合物是另一种减少聚合物复合废物的另一个有效方法。这些复合材料同样具有客观的机械性能，可以适用于许多制造业领域。此外，这些复合材料很容易降解，对环境没有有害影响。然而，这些复合材料由于吸湿性不能用于飞机、风电等部件制造，相反，采用CFRP和GFRP的聚合物复合材料被广泛用于飞机、风力叶片和汽车外部组件。

1.1 研究原因

尽管许多已发表的研究涉及复合材料的回收技术，但只有少数人提到基体聚合物复合材料中热固性树脂的回收方法。此外，关于聚合物复合材料回收技术，特别是在计算每个回收过程中的能量需求方面也没有详细阐述的文献，只有不同回收技术的一般概述。

这篇综述旨在通过确定每个循环过程全面阐述当前聚合物复合材料回收技术、应用和未来面临的挑战。例如，在机械回收中热量需求量主要通过使用Wittmann MAS1工业造粒机进行回收来确定。在热循环中，热量需求量在熔炉中确定。另外，通过对使用化学品以及化学回收方面的研究，将有助于建立一个关于聚合物复合材料，提供关于回收过程的处理路线。最后，本文总结了通过将复合材料转化为再生聚合物基质，制造废物和EOL复合材料回收纤维，以及再制造复合材料的方法。

2 回收技术

回收技术不仅对复合废物管理来说有价值，也为循环经济和可持续技术增加价值。联合国于2015年制定的可持续发展目标（SDG）是全世界的重要目标。回收技术有可能实现某些可持续发展的目标。例如，回收技术有助于废物的再利用，最终降低整体废物，提供更清洁的环境。这些最终会帮助实现一些可持续发展的目标（如图2），如（目标6：清洁水和卫生），（目标13：气候行动）和（目标15：陆地生活）。此外，回收技术为循环经济模型。与线性经济模型相比，循环经济模型可为废物预防、资源效率和可持续材料技术使用。回收聚合物复合材料有助于实现循环经济模型，如图3所示。纤维增强聚合物复合材料（FRPC）的再循环通常通过机械、热力和化学方法。根据对以往文献的研究可知，机械方法的能耗最低，热回收方法能耗始终，而化学方法能耗最高。然而，所有这些回收方法的能耗都优于传统的填埋和焚烧方法。

图2：通过对聚合物复合材料的回收和再利用可以实现的可持续发展目标

图3：聚合物复合材料循环经济模型

由于相关研究较少，回收技术仍缺乏实用性。有时，回收过程与机械、热力和化学过程一样，有不同的能量需求，例如使用不同的能量从聚合物基质中分离GFs和CFs的回收技术。

EOL复合材料废物在全球范围内的一个真正问题在于难以为下一代应用重塑热固性基质，这些基质通常是不可生物降解的。各种各样的现代技术已被开发用于复合材料的回收利用，特别关注不同的聚合物基体的纤维复合材料。关于热固性聚合物与纤维的分离问题，热固性树脂废料被造粒、燃烧，然后用作填料，这导致其机械和物理性能的显著损失。热固性基质的燃烧可用于恢复回收纤维的强度和回收过程中消耗的能量。此外，为了使复合材料的回收工艺更可行且更具成本效益，可以回收高质量的合成纤维和热固性树脂。众多公司，如Hadeg回收有限公司、Wittmann technology GmBH、Alpha回收复合材料、Karborek、CFKValley Stade、Recycling GmbH&Co.KG和MIT-RCF可以有效回收CFRP和GFRP。此外，MIT-RCF公司认为重复使用碳纤维是减少碳纤维复合材料浪费的最佳途径之一。回收CF的能量消耗角制造新的CF相比减少96%。

此文由中国复合材料工业协会翻译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。