01引言

复合材料，特别是碳纤维增强塑料（CFRP），在现代工业中扮演着至关重要的角色。它们广泛应用于航空、汽车制造和可再生能源等行业，主要因为它们优异的强度和轻质特性。然而，这些材料的环境影响和回收难度一直是业界面临的主要挑战。特别是在航空和汽车行业，对于减少重量以提高能效的需求推动了对这些高性能材料的依赖，同时也加剧了环境负担。随着旧复合材料产品，如风力涡轮机叶片，逐渐达到使用寿命，如何有效地回收和处理这些材料成为一个迫切需要解决的问题。

02纤维回收的复合材料背景

复合材料，尤其是碳纤维增强的聚合物，因其高强度重量比而被广泛应用于多种工业产品中。它们不仅轻盈而且坚固，使得它们成为金属的理想替代品，尤其是在需要减轻重量以提高能效的应用中，如航空航天和高性能汽车领域。然而，这些材料的主要问题在于它们难以回收。大多数碳纤维复合材料是由热固性树脂制成，一旦固化，就不能像热塑性塑料那样容易重新熔化和塑形。这导致了废弃复合材料的积累和环境问题。

目前，碳纤维复合材料的回收方法主要可归纳为三类：物理回收法、化学处理法、热解处理法。不论使用哪种回收方法，回收得到的碳纤维都很难维持连续纤维状态，长度多小于120mm。可根据纤维的长度区间将回收碳纤维再利用的路径分为以下三种：

A.纤维长度<6mm，作为填料加入复材原材料中；

B.6mm<纤维长度<70mm，制备成碳毡或SMC材料；

C.70mm<纤维长度<120mm，保持纤维取向，制备成热塑带材。

市场上的回收碳纤维主要以粉末、颗粒、丝状等形式存在。纤维以粉末或颗粒形式去使用时，回收碳纤维性能可达到原生碳纤维性能的90%-95%。合理利用回收碳纤维，能够在降低制品成本的同时解决碳纤维制品的废弃问题和环保问题。当下，各国都开始重视碳纤维材料的回收利用，并不断加大前沿技术研发和关键技术攻关力度。

图 现有回收技术主要路线

03纤维回收的技术前沿

-华盛顿州立大学在可回收复合材料方面的创新

华盛顿州立大学的研究团队，在Jinwen Zhang教授的领导下，开发出了一种新型的可回收碳纤维复合材料。这种材料不仅保持了传统碳纤维复合材料的高强度特性，而且可以在高温、高压的环境下分解，从而实现了回收再利用。这一创新使得碳纤维复合材料的应用更加环保和可持续。该研究团队与能源部的太平洋西北国家实验室的科学家们合作，他们的研究成果已发表在《大分子快报通讯》杂志上。

图 Jinwen Zhang教授及其所在实验室

可回收复合材料背后的技术华盛顿州立大学的研究团队采用了一种创新技术，使用环氧氟聚合物作为传统环氧树脂的替代品来开发这种可回收的复合材料。环氧氟聚合物的独特之处在于，它结合了环氧热固性塑料的坚硬耐用特性和热塑性塑料在高温下的自愈和可塑特性。这种双重特性使得材料不仅坚固耐用，而且在达到一定温度时能够分解，从而实现回收。在实验中，该团队发现，在加压蒸馏水中将温度提高到160摄氏度以上时，这种材料能够分解，释放出可再次利用的碳纤维和其他化合物。当温度进一步提升到180摄氏度时，材料能够完全溶解。这种新材料的研发，为复合材料的制造和应用提供了新的可能性，使其在不损失性能的情况下变得可回收。影响和应用华盛顿州立大学的这项创新研究有可能彻底改变依赖复合材料的各个行业。这种新型可回收复合材料的开发，为提供更加可持续和环保的材料选择铺平了道路。特别是在航空和汽车产业，这种材料的应用可以减少环境影响，同时保持产品的性能和效率。此外，这种材料的应用还可能扩展到其他领域，如风能和海洋运输。除了减少废物和提高材料的可持续性之外，这种新型材料的应用还可能促进新的设计和制造方法的开发，进一步推动行业的创新和进步。

04市场环境

英国的ELG碳纤维公司指出，在制造过程中，材料往往是手工堆放的，碳纤维片实际尺寸的近三分之一在修剪后未被使用。因此，大量的碳纤维最终没有成为产品，而是被送往垃圾填埋场。每年大约有62000吨未利用的碳纤维废弃物被累积起来，其中飞机和风能行业的废料最多。如果不采取任何行动，到2035年，预计飞机行业将产生23600吨未使用的碳纤维废料，风力涡轮机行业将产生另外48.3万吨。这两个领域产生的碳纤维废料的总积累震惊了世界。

图 全球碳纤维废料趋势

纤维废料对环境的影响这一全球性问题，已经实施了几种立法方法。例如，欧洲联盟实行了一项限制碳纤维废物处置的政策，同时鼓励将废物用作替代资源。构建了一个五步骤的废物处理层次，最上面的步骤是避免废料，其次是再利用和回收多余的碳纤维残留物，然后是各种回收方法，最后是废料处理。此外，限制填埋和焚烧作为碳纤维废弃物处理方法的一部分，旨在促进材料的循环利用。另外一个角度，碳纤维是环保的，并具有更长的生命周期。然而，碳纤维生产制备所消耗的能源几乎是钢铁的14倍。这种超高的能源强度需求导致了大量的温室气体排放，因此，回收再利用过程可能是减少这种环境影响的最佳方法之一，同时满足全球对碳纤维这种材料的工业应用的需求。

航空航天废料是全球回收碳纤维市场的主要来源。2021年，航空航天废料市场占据了全球市场近五分之三的份额，并预计在2022年至2031年间将继续保持领先地位。这一细分市场预计将以12.3%的年复合增长率快速增长。由于碳纤维在制造最新战斗机中的广泛使用，航空航天废料提供了丰富的二手碳纤维来源。这种回收不仅具有商业价值，还有助于环保，推动了从试点规模到工业过程的发展。在应用领域，汽车和运输部门在整个预测期内将保持其领先地位。这些部门在全球市场中占据了三分之一以上的最大份额，预计将在2022年至2031年间继续主导市场。由于对高速、轻重量和高刚度等性能的需求，回收碳纤维在多种运输设备中得到广泛应用，预计将加速市场增长。在地域分布上，北美预计将在预测期内加强其市场领导地位，占总市场的近五分之二。

美国建筑业的发展增加了对回收碳纤维的需求，而加拿大汽车行业的扩张也促进了对此类产品的需求。与此同时，欧洲市场预计将以12.6%的年复合增长率快速增长，德国成为该地区的主要市场。欧洲的领先汽车公司，如奥迪、宝马和梅赛德斯-奔驰，也在通过制造先进汽车来推动回收碳纤维的使用和增值。航空航天废料是全球回收碳纤维市场的主要来源。2021年，航空航天废料市场占据了全球市场近五分之三的份额，并预计在2022年至2031年间将继续保持领先地位。这一细分市场预计将以12.3%的年复合增长率快速增长。由于碳纤维在制造最新战斗机中的广泛使用，航空航天废料提供了丰富的二手碳纤维来源。这种回收不仅具有商业价值，还有助于环保，推动了从试点规模到工业过程的发展。在应用领域，汽车和运输部门在整个预测期内将保持其领先地位。这些部门在全球市场中占据了三分之一以上的最大份额，预计将在2022年至2031年间继续主导市场。由于对高速、轻重量和高刚度等性能的需求，回收碳纤维在多种运输设备中得到广泛应用，预计将加速市场增长。在地域分布上，北美预计将在预测期内加强其市场领导地位，占总市场的近五分之二。

美国建筑业的发展增加了对回收碳纤维的需求，而加拿大汽车行业的扩张也促进了对此类产品的需求。与此同时，欧洲市场预计将以12.6%的年复合增长率快速增长，德国成为该地区的主要市场。欧洲的领先汽车公司，如奥迪、宝马和梅赛德斯-奔驰，也在通过制造先进汽车来推动回收碳纤维的使用和增值。

图 碳纤维回收生态

日本：日本早在2006年就开始开发碳纤维再生技术，并成功开发出可控制回收碳纤维(RCF)长度，去除金属杂质，并保持树脂残渣量很低的碳纤维再生技术。主要的日本碳纤维再生公司有东丽、东邦（隶属于帝人集团）、三菱丽阳公司……

德国：德国CFK Valley Recycling、Holy Technologies……

美国：美国Carbon Conversions公司、MIT LLC公司、Vartega、美国波音公司……

英国：SHD Composite Materials有限公司（英国斯莱福德），ELG碳纤维公司……

中国 ：北京化工大学贾晓龙教授团队、南通复源新材料（上海交大杨斌副教授团队）……

 

领域内研究主力

 

05结论

总体来说，华盛顿州立大学的研究为解决复合材料回收这一长期挑战提供了重要的突破。通过开发一种既强韧又可回收的碳纤维复合材料，这项研究不仅有助于减少环境足迹，还为材料科学领域带来了新的可持续发展方向。这项技术的应用潜力巨大，预示着未来在复合材料设计和制造方面的重大变革。随着进一步的研究和开发，这种可回收复合材料有望在多个领域发挥重要作用，为可持续性目标做出重要贡献。

信息来源：compositestoday.com