复合材料回收的发展趋势

复合材料的回收兴起于1990年代，由对碳纤维应用日益增加的航空航天和汽车等行业所引领。如今，随着复合材料用量的不断增加以及报废（EOL）法规/要求的日益严格，有必要更好地了解全球供应链在回收方面的投资。但直到最近，有关回收技术商业化以及建立回收能力等方面的进展依然非常缓慢。

此外，为复合材料废弃物创造真正的闭环循环，仍有多重挑战需要应对，包括：因存在多种成分（纤维、基质、涂层），使得回收报废复合材料是件困难的事情；如何正确采购报废的废弃物；如何在最“环保”的回收方法上达成共识。据预测，到2030年，将产生大约11.5万吨的碳纤维废料（来自工厂和报废产品），因此，整个行业必须加大力度实现标准化的流程和强大的供应链来避免不环保的回收方法，并确保能够广泛地回收这些材料。目前，已有一些欧盟法规和提案禁止使用“填埋”这种处理废弃物的传统方式。

在更为广泛的可持续发展主题中，回收利用（如生物材料和节能设备）是一个重要领域，但这也极为复杂，为将其变为现实，各种研究工作正在开展之中。一些公司正专注于开发更加优化的方法，而另外一些公司则致力于对复合材料废料进行加工并重新利用，以制成各种终端产品，并通过提高产能来作出更大的贡献。还有很多项目通常是采用闭环回收工艺来展示对可回收终端产品的制造。

虽然在全球大规模实施的道路依然漫长，但学术界和各行业领域的参与者们却一直在以各种方式研究、开发对废弃物进行回收利用的方法并将其商业化。

 

一、回收方法概述

已知最早的对复合材料废弃物进行处理的方法始于焚烧和填埋，显然，这两种方法都不环保——焚烧会排放温室气体，并释放额外的污染物；垃圾填埋对于这种耐用材料而言只是一种短期解决方案，而且也会带来类似的危害。结合了燃烧和焚烧的类似方法，是将废弃物成分转化为热量，用于能源回收（电力），尽管焚烧也会产生污染物（灰烬副产品）。

另一种形式的燃烧是水泥窑共处理，即将风机叶片或其他复合材料部件切碎后，用于取代煤炭等化石燃料，用于水泥的生产。一些欧洲公司正在努力准备一份生命周期评估（LCA）报告，来探索利用这项工艺处理报废复合材料会对环境带来怎样的影响，并指出，除了能够减少水泥生产中的排放外，还能减少对化石能源和原生原材料的需求。于2020年12月启动的KiMuRa项目，在“努力提高行业参与度”方面展示了类似的优势。

机械回收、热回收和化学回收是后来出现并处于不同成熟阶段的其他回收方法，主要用于处理由碳纤维和玻璃纤维增强的聚合物（CFRP 和 GFRP），目的是回收纤维。

总之，每一种回收复合材料的方法都有其优缺点。

 

二、机械回收

机械回收涉及对报废的复合材料部件进行物理分解，通过切割、粉碎、研磨等方式制成粉末和纤维回收物，用作注射成型、3D 打印或其他工艺中使用的填料。这是一个快速而又简单的过程，可以产生“近乎完美的产量”，而且比化学回收的耗能量要低得多。此方法通常不会产生CO2这样的有害气体，但缺点是需要减小材料尺寸，破坏其完整性，特别是会破坏材料的强度和拉伸模量，这意味着对材料的二次利用通常仅限于一些低价值的选项，如填料和部分增强。

Fairmat公司（法国巴黎）是复合材料机械回收领域的重要参与者，该公司利用切割技术（结合了机器人技术和机器学习）将 CFRP废弃物转化为由100%高质量回收碳纤维组成的CFRP切片。据说，该工艺保留了原生碳纤维固有的强度、耐用性和高性能特性，适用于体育用品、消费电子和移动出行等行业。目前，该公司已与Exel Composites、Hexcel 和 Dassault Aviation 等公司签署了几项碳纤维废弃物再利用协议。

 

加工完成后的CFRP切片（如图所示）可以被集成到各种设计中，以创建订制的复合材料层压板和部件

（图片来源：Exel Composites）

 

Elevated Materials（美国加利福尼亚州加迪纳）正在为东丽复合材料美国公司（美国华盛顿州塔科马）履行类似的职能。根据一项为期 3 年的协议，Elevated 将重新利用东丽的航空航天废弃预浸料，包括切边的和全宽的预浸料片。该公司机械缩减这种废料的尺寸，然后对其压制成型（Elevated Materials 称这种工艺为“升级回收”），以压固成碳纤维的片材、板材和块状物，用于运动器材、制造配件和无人机等领域。

 

三、热回收

热量是热回收过程中用于分解复合材料废料的主要成分，目前的热回收可分为3种方法——热解、流化床工艺以及燃烧和焚烧。通常，在受控条件下对材料进行高温（450-700℃）加热后，除所需的纤维外，所有材料（树脂）都会被烧掉。流化床工艺是依靠通过硅砂床的高温空气来分解复合材料基体，释放出纤维和填料颗粒，从而回收除纤维/填料之外的能量。热解同样是利用非常高的温度来分解树脂和添加剂，而且通常可使用各种热源，留下可以回收和再利用的短纤维。此外，该工艺的油气副产品还可以用作化学原料。

帝人株式会社（日本东京）和Fuji Design Co. Ltd.（日本东京）于2022 年开设了一个业务结构，旨在采用 Fuji Design 的“精密热解”技术（该技术对环境影响小），从废弃的CFRP中获取高质量的碳纤维。据说这种方法通过可控的加热和冷却，利用热解来回收更高性能的纤维，也可能回收树脂。

 

来自合作伙伴Nakashima Propeller Co. Ltd. 的玻璃纤维复合材料螺旋桨部件经热解后显示出完整的纤维，没有表面氧化损伤

（图片来源：Nakashima Propeller Co. Ltd.和Teijin Ltd.）

 

同样，Thermolysis Co. Ltd.（中国台湾省台中市）使用热解来支持大规模再生碳纤维 （rCF）的生产，然后将其用于为客户制造 rCF 纸和非织造材料（rCF 预浸料、层压板中间品和管道产品线）以及rCF粒料（非常适合注射工艺）。

法国中西部的Veolia Recycling and Recovery（法国Aubervilliers）和Composite Recycling SA（瑞士Ecublens）一起开展的一项分三阶段实施的项目，将在法国西部建立、扩大并启动一项大规模的热解回收业务。Veolia专门从事无害废物的收集和处理，而Composite Recycling的热解技术能将复合材料废物转化为纤维和热解油等最终产物。

通过热解将回收的CFRP改造成短切、非织造和三维预制件等形式，是Carbon Conversions（美国南卡罗来纳州莱克城）追求的一种方法，旨在实现“商业规模的零浪费、闭环制造工艺”。2024年3月，该公司推出了re-Evo TDR，这是一种用rCF增强的3D打印线材。

热回收仍然是一种有吸引力的方法，它不仅可以成功地将基质与纤维分离，而且根据工艺的不同，分离的纤维可以保持较高的力学性能。可能的缺点包括：由于能耗大而导致运营成本高，以及因过热而使纤维表面具有受损的风险。此外，虽然所回收的纤维要比机械回收的质量高，但其性能却并不总是与原生材料的相当。

 

四、化学回收

化学回收是通过酸、碱和/或溶剂来溶解现有的聚合物基质，通常是在高温下进行。最常见的方法是溶剂溶解和水解，前者利用溶剂进行解聚，而后者通过水来引起树脂降解。化学回收通常能获得干净而又光滑的纤维，能最大程度地保留纤维的力学性能，并具有高树脂分解率。其缺点是化学品的成本高，以及在此过程中会产生有害残留物。

化学分解是一种可以利用酶来分解聚合物基质以供再利用的过程，比如，Ascorium公司（德国 Königswinter）使用该工艺来回收其聚氨酯（PU）复合材料，所回收的多元醇95%能与聚异氰酸酯发生反应，因而可以重新用于生产新的PU材料和部件。

另一家通过研究基质回收来提高复合材料可回收性的公司是旭化成（日本东京），该公司与 Microwave Chemical Co.（简称MWCC，日本大阪）合作，将一种使用微波技术解聚聚酰胺66（PA66）的化学回收工艺商业化。采用这项回收工艺获得的单体可用于制造新的PA66。虽然这项工艺最初主要用于回收聚合物，但两家合作伙伴确实致力于最终回收具有纤维增强的聚合物。

由造船商于2023年创立的Resolve Composites公司（加拿大新斯科舍省），正在开发 ReceTT。虽然它本身不是一种特定的化学回收方法，但确实能支持不同类型的溶剂分解处理。Resolve 表示，通过对船头部分进行测试，与对相同尺寸和形状的部件使用浸渍槽相比，使用 ReceTT 可以实现对材料的完全回收，并能将溶剂用量减少 89%。目前，该公司仍在开发 ReceTT 以备将来商业化。

 

五、有没有一种方法可以统治所有？

复合材料的复杂性以及报废后可接收的材料、组件和结构的多样性，使得证明一种回收工艺优于另一种是非常困难的。事实上，一些研究发现，这些工艺的组合可能会带来更积极的效果。

比如，2023年，悉尼大学（澳大利亚坎珀当）的研究人员演示并验证了一种新颖的低温热解工艺与溶剂分解预处理相结合的回收方法，这对于回收CFRP复合材料废弃物是有效的。据说，回收的纤维保留了90%的原始强度，比仅通过热降解回收的纤维的强度高出10%。

Vartega公司（美国科罗拉多州丹佛市）已快速成为复合材料回收领域的重要参与者，该公司采用机械和化学方法来回收其复合材料废弃物，采用溶剂溶解工艺来溶解未固化的预浸料中的树脂，其中，首先用工业溶剂（用于制造复合材料的溶剂）清洗预浸料，然后用CO2进行冲洗干燥，同时，树脂溶剂混合物得到回收和纯化。在一篇 Engineering.com 文章中，Vartega的首席执行官Andrew Maxey表示，这是一种非常温和的工艺，可以获得大团的蓬松碳纤维。最近，Vartega宣布了如何将这些纤维转化为易处理的原料束，以作为传统原生碳纤维的直接替代品用于粒状、片状或棒状的产品中。

该公司还采用机械回收来应对回收挑战——将废弃的碳纤维产品研磨成较小的碎片，创造出一种再生产物，用作新的复合材料中的增强材料。

DEECOM是另一种回收工艺，通过压力（该公司称之为“加压”）和过热蒸汽这两种方式实现对树脂和纤维的有效分离。由Longworth（前身为B&M Longworth，英国布莱克本）商业化，蒸汽经过几个循环的压缩和减压，分离出纤维和基质，留下干净、完整的纤维。DEECOM 通常与材料无关。

Aitiip 技术中心（西班牙萨拉戈萨）正在研究化学添加剂（受磁场影响的智能磁性纳米颗粒）的合成，这些添加剂能对热刺激作出反应，以促进热固性树脂在受控的化学反应器中分解。这些颗粒可以在固化前被加入热固性树脂中，需要进行材料回收时，可以应用磁场来促进纤维（通常是玻璃纤维或碳纤维）和树脂的分离，然后将对材料化学结构的分解当作预处理来促进化学溶解。

 

聚合物、功能化的碳纤维和交联剂经混合后固化。可以通过添加酒精、片呐醇来提取成分

（图片来源：Philip Gray和Anisur Rahman/美国能源部ORNL）

 

在类似的方法中，美国能源部橡树岭国家实验室（简称ORNL，美国田纳西州）在实验室规模上证明了功能化的 CFRP 热固性塑料可以通过加热或化学品而得到“释放”。将动态交联剂掺入商品聚合物中，向聚合物基体及其嵌入的碳纤维中添加动态化学基团，这样在回收时，就可以 100% 地回收原始材料（交联剂、聚合物和纤维）。同样，Swancor Holding Co.（中国台湾南投）设计了一种热固性环氧树脂，当与碳纤维或玻璃纤维增强材料一起使用时，可以通过该公司的 CleaVER 技术而得到回收和降解。

 

六、回收市场目标

回收复合材料时，通常会考虑两条路径：第一条路径涉及对纤维和/或树脂/树脂成分的加工与回收，第二条路径侧重于这些材料的来源以及如何将它们重新用于二次产品。

1. 风能

在复合材料发挥作用的所有终端市场中，风能可以说是在可回收性研究中最常考虑的领域。随着风能日益成为受欢迎的可再生能源，对报废风机叶片填埋的加速给该行业蒙上了阴影。虽然风机本身 80% 通常是金属的并且是可回收的，但越来越长、高性能、多材料的复合材料叶片（如 CFRP、GFRP、轻木或泡沫芯）将带来更大的挑战。

为应对这一终端市场带来的挑战，许多项目正在进行之中。为期4年的REWIND 项目，由塑料技术中心 Aimplas（西班牙瓦伦西亚）领导，旨在提高陆上和海上风力涡轮机的使用寿命、可靠性、可回收性和可持续性。该项目的合作伙伴正在开发的技术包括：正确拆解复合材料并分解其成分（Aimplas例举了对催化剂热解和溶剂分解方法的使用），以及进行质量检查并根据其价值确定材料是否适用于二次产品的再利用。

另一个欧洲计划是Blade2Circ项目，该项目还在考虑开发下一代的风机叶片。其联盟成员正在设计有助于拆卸风机叶片的组件，如可逆粘合剂，并开发新的化学和酶降解工艺，以解决树脂的回收和再利用问题。

缅因大学（简称UMaine，美国奥罗诺）的一个研究团队获得了75000美元的赠款，用于探索将回收的风机叶片用作3D 打印的原料。该项目提议将风机叶片材料切碎，转化为具有成本效益的增强材料和填料，用于大规模的3D打印。通过将切碎和研磨后的风机叶片用于替代短的碳纤维，该团队旨在实现100%复合材料叶片的机械回收。

最近，阿科玛（德国科隆）及其合作伙伴通过ZEBRA（Zero wastE Blade ReseArch）项目展示了对热塑性风机叶片的闭环回收。该项目成功地从风机叶片和生产废料中回收了阿科玛的Elium 树脂和欧文斯科宁（美国俄亥俄州托莱多）的Ultrablade 织物，并将它们重新配制成可用的材料。

在类似的方法中，美国能源部橡树岭国家实验室（简称ORNL，美国田纳西州）在实验室规模上证明了功能化的 CFRP 热固性塑料可以通过加热或化学品而得到“释放”。将动态交联剂掺入商品聚合物中，向聚合物基体及其嵌入的碳纤维中添加动态化学基团，这样在回收时，就可以 100% 地回收原始材料（交联剂、聚合物和纤维）。同样，Swancor Holding Co.（中国台湾南投）设计了一种热固性环氧树脂，当与碳纤维或玻璃纤维增强材料一起使用时，可以通过该公司的 CleaVER 技术而得到回收和降解。

 

Anmet使用退役的风机叶片作为人行天桥的承重结构支撑（左上），正在爱尔兰科克市安装一座 Re-Wind Network 人行天桥 （BladeBridge）（左下）。Canvus 将玻璃纤维复合材料的风机叶片和其他材料融入功能性、创意的户外家具中，这些家具可以捐赠给社区（右）

（图片来源：Anmet、Re-Wind Network 和 Canvus Inc.）

 

Canvus Inc.（美国俄亥俄州洛基河市）正在执行类似的功能，重新利用风机叶片和其他升级再造材料来制造具有创意和功能性的以社区为中心的户外家具产品。“我们希望保留风机叶片结构的质量和耐用性，而不是通过水泥窑共处理或热解来分解它们。”Canvus的品牌董事总经理 Parker Kowalski表示。

2. 航空航天

航空航天领域也在推进其复合材料的回收计划，包括大力解决因热塑性复合材料用量的日益增多而产生的废物。比如，herone、Spiral RTC、帝人碳纤维欧洲公司和Collins Aerospace Almere正在将回收的A350热塑性复合材料翼梢（clips）/夹板（cleats）废料添加到棒材中，以取代金属连接器，用于全热塑性复合材料的多功能机身演示器的冠顶。这些棒材采用帝人碳纤维欧洲公司（德国伍珀塔尔）的TPUD HT 碳纤维/聚苯硫醚热塑性塑料分切带和 Spiral RTC（荷兰恩斯赫德）回收的Spiral轻质 PPS CF40 化合物制成，该化合物中含有翼梢（clips）和夹板（cleats）废料，这些废料经机械切碎后被混入注射成型的粒料中。然后，herone GmbH（德国德累斯顿）在编织过程中对热塑性复合材料带材进行自动加工，随后经过节能的固结过程，即制成最终部件。这种方法也适用于其他组件和结构，如飞机地板支柱、拉杆等。

 

此图详解了创建飞机部件（如 MFFD Crown Module）的一种新方法。热塑性的分切带与轻质 PPS CF40 化合物（使用 Airbus 的生产废料制成）相结合，并编织成超轻、长度可调的棒材

（图片来源：herone GmbH）

 

在COMPASS项目中，FACC AG（奥地利 Ried im Innkreis）和13家欧洲合作伙伴将使用一种新颖的数据驱动方法来研究对报废热塑性复合材料部件的再制造和重塑。更具体地说，数字平台旨在捕获有关部件质量、性能和历史的实时信息，以体现部件的数字孪生，同时从技术和经济的角度对客户的再制造进行数字化评估。

另一个项目reFrame正在开发基于激光的铺层技术，用于加工高性能热塑性塑料和回收物，并利用人工智能来精确监控和优化这些铺层工艺，以实现可回收的 CFRP飞机结构，特别是夹层结构。

七、复合材料回收的前景

根据 Stratview Research（美国密歇根州底特律）最近发布的一份报告，在行业和政府的不断推动下，回收和使用回收复合材料产品的倾向在增加，这将确保这一新兴市场的持续发展。与这些发展相吻合，预计市场应用的多样性将增加，并且随着回收量的增加，回收复合材料产品/材料的成本预计将下降。这一切都表明，虽然未来仍有许多挑战，但同样有许多新的发展和举措会将回收变为现实。

原文：https://www.compositesworld.com/articles/trends-fueling-the-composites-recycling-movement