Zuse Community:將碳纖維回收創新引入市場

碳纖維幾乎全部由碳元素組成，它是在1 300 ℃下從聚丙烯腈聚合物中經高能耗的工藝獲得的。碳纖維的密度很低，但同時具有防斷裂性和穩定性。這些優良性能對于電動汽車的蓄電池箱或車身的結構部件而言是很必要的。德國Chemnitz紡織研究所(STFI)目前正與其伙伴合作，將碳纖維的靜態力學強度與減振性能結合，以改善電動汽車電機的外殼。本項目由聯邦經濟和能源部資助研發，擬開發混合非織造布，該非織造布除含有碳纖維外，還含有其他纖維材料作為增強材料。圖1所示為STFI紡織輕量化工程中心的碳纖維回收機械。

圖1 STFI紡織輕量化工程中心的碳纖維回收機械(來源：Dirk Hanus)

STFI將完善現有的非織造布解決方案。該研究所回顧了15年來在再生碳纖維方面的研究。德國增強塑料聯合會(AKV)的市場回顧表明，過去10年中，全球對高質量纖維的年需求量幾乎翻了兩番，達到約14.2萬t。日益增長的碳纖維需求也使其回收技術成為人們關注的焦點。廢棄碳纖維的價格約為原纖維價格的10%～20%，但碳纖維的回收需經過特殊處理。競爭性應用是再生碳纖維研究成功的關鍵。STFI發現這些應用不僅適用于汽車，也適用于體育休閑以及醫療技術，如斷層掃描計算機組件。在斷層掃描過程中，金屬或玻璃纖維會在圖像上投下陰影，而碳纖維并不妨礙圖像的呈現，因此可以充分發揮其優勢。

1 借鑒造紙技術

如果回收的碳纖維可以重新進入產品循環，二氧化碳平衡將得到改善，但碳纖維短纖的回收再利用價值較小。在此背景下，德國工業研究聯合會成員Cetex公司及德國造紙研究所(PTS)，曾在一個項目研究過程中開發出一種新工藝。該工藝可生產再生碳纖維，不過到目前為止這種再生碳纖維并不適合重新利用。由于再生碳纖維較脆，采用傳統的干法紡織加工方法，可加工纖維的長度至少需要達80 mm。而STFI則借鑒了造紙工業的濕法處理工藝。簡言之，在濕法工藝處理后，可得到由回收碳纖維和塑料纖維制成的平墊。該工藝還可加工40 mm長的回收碳纖維短纖，生產有價值的中間產品。

碳纖維墊的制備采用了熱壓法，并可作為高彈性結構部件的基本材料。另外，將其與連續纖維增強帶相結合，能提高半成品的力學性能。再生的碳纖維產品性能可與玻璃纖維增強塑料相比擬，在鐵路和車輛建設中加以應用。目前，研究成果正被納入RessourceTex合作網的進一步研究和開發中，該網絡是一個由來自工業和學術領域的18個合作伙伴共同資助的協會。

2 應用于汽車工業

德國Thuingian紡織和塑料研究所(TITK)開發出了可供工業使用的碳纖維廢料應用解決方案。其中一些開發項目已在德國SGL復合材料進行產業化生產。干廢料(主要是邊角料)的處理是根據內部開發的工藝進行的，開松纖維可用于不同生產工藝的非織造布加工。例如，除了將非織造布應用于寶馬i3系列車頂或后座殼，TITK還建立了特殊的非織造布和片狀模塑料(SMC)生產工藝。SMC是由熱固樹脂和增強纖維組成的熱固型復合材料，用于壓制纖維塑料復合材料，這種復合材料被集成用于制作寶馬7系汽車的C柱的一部分。TITK特別強調開發更有效的工藝和組合程序，以使碳纖維回收材料在輕量化應用中有更好的機會，同時也考慮成本因素。因此，目前的重點是在熱塑性塑料板材和型材擠出工藝中使用碳纖維回收纖維。其目的是在一個有效的工藝步驟中實現短纖維和連續纖維相結合共同增強復合材料。