賦予壽終的碳纖維制品新的生命——再生短切碳纖維在SMC中的應用

正如標題圖所展示的那樣，近年國際上已進入了碳纖維工業化回收成熟階段。開發經濟可行的CF及CFRP 回收再利用技術，替代簡單的作為垃圾填埋方式，不僅對環境保護有積極貢獻，符合當今可持續發展社會追求“綠色”的意愿，更有極大的經濟吸引力。再生CF 的成本低于新CF 的生產成本，據日本報道，生產制造再生短CF能耗僅為新CF 的17%，而CO2 排放量僅為新CF 的14%。

CF 本身優異的性能在回收再生后能被大部分保持，可以重新應用在工業、消費電子、體育等產品領域。碳纖維生產過程中有超過30%的邊腳料，廢料比遠高于其他行業。由于碳纖維行業的迅猛增長，我們在不斷提高生產量的同時，也應該開始將重點放在碳纖維回收行業。

上海交通大學化學化工學院王新靈教授研究團隊的楊斌副教授成功開發國內第一項擁有完全自主知識產權的碳纖維復合材料廢棄物新型裂解回收技術和裝備。經過5 年的研究，針對裂解法固有的缺陷，創新性地提出了完善的解決方案，同時解決了其在工程上大范圍使用的實際問題。這個項目的成功，意味著國內擁有了一條完全自主知識產權、規模化的新型裂解回收技術裝備，碳纖維復合材料廢棄物的年處理能力可超過200 噸。除此之外，目前全球僅德國（ELG Carbon Fibre Ltd）、日本(碳纖維回收工業公司)和美國（MIT-RCF Ltd）的三家公司擁有回收處理碳纖維復合材料廢棄物的產業化技術。與國際先進技術相比，上海交通大學的回收技術具有廢棄物處理前可保留大尺寸的特點，這樣既免除了廢棄物切割、粉碎的工序，更重要的是保持了再生碳纖維的足夠長度、提高了碳纖維再利用的價值。

總而言之，全球許多公司已經開發出了成本效益高的碳纖維回收方案，以及現在可以用于復合材料工業的一系列初始產品。這將是未來碳纖維市場的重要組成部分，其不僅可以降低企業成本、增強可持續發展動力，還幫助了整個碳纖維材料產業的發展壯大。再生碳纖維供應的市場化對我們復材人是一個新機遇，其中12～25mm 長的短切纖維正好應用于SMC 增強纖維原料系列，成為碳纖SMC 拓展應用的增長點。

可應用于SMC 片材的再生短切碳纖維的基本形態和技術經濟指標

目前，碳纖維回收技術中能得到還是連續有序的長纖維仍在少數，較為可靠的是磨碎的碳粉碳粒和一定長度的切斷的再生碳纖維，后者正好適合SMC 的使用。再生碳纖維可應用產品的大致分類，稍微長一點的纖維適用于SMC 片狀模塑料。而更短一些的纖維則適用于BMC 團狀模塑料。

當然各家回用再生纖維的品種、質量及表面涂覆的浸潤劑會有不少差異。行業也期待這種再生纖維的規范化、標準化。

典型的再生切斷碳纖維的基本特性見表1，這是英國ELG 公司已經市售的產品規格之一。

表1 ELG 公司CARBISO 牌號纖維規格

英國伯明翰大學的研究人員做了大量再生碳纖維應用于SMC/BMC 中的技術經濟研究，發表了文獻，見圖1、圖2的匯總對照表。圖中可以看到再生碳纖維SMC 的成本約是原生碳纖維SMC 成本的1/5，而強度指標兩者相差僅1/2。綜合經濟效益十分明顯。

圖1 再生碳纖維SMC/BMC 與原生碳纖維SMC 成本對照

再生短切碳纖維如何分撒在SMC 機組上

現時常規的SMC 機組有1～2 套纖維切斷裝置，將筒紗按需按量切割成不同長度的短纖均勻落入已鋪滿樹脂糊的移動帶上。這里著重討論的是再生短切好的碳纖維如何均勻正確撒落鋪攤在同樣的移動帶上。

圖2 再生碳纖維SMC/BMC 與原生碳纖維SMC 強度(抗拉極限UTS 和模量)對照

第一種方法，按英國人的專利WO2009150406 所示的短纖分配裝置（見圖3）

圖3 英國專利所示的短切紗分配器

第二種方法，按美國密歇根州立大學CMSC 的機組模式

美國密歇根大學的學者當初研究玻纖、芳綸纖維、天然纖維及碳纖維等多種形式纖維的SMC 時，開發研制的一套專門的機組，其中纖維分配供給裝置并未透露更多細節。

第三種方法，混合配紗原理制作再生碳纖加連續玻纖或切斷玻纖的混合SMC

設置再生碳纖分配供給區，在中部保留原先機組的筒紗切割器?；旌吓浼喬砑硬煌脑鰪娫厥墙谠鰪姀秃喜牧系囊粋€熱點，甚至可以添加連續纖維或連續纖維織物。

第四種方法將切割下來的碳纖廢邊與回收熱解的碳纖混合制成“毛氈”（短切氈），送入SMC 機組，浸漬樹脂糊輥壓成片材待用

這種工藝可將回收的長短不一的混雜纖維用制作短切氈的方法制作成圖4所示的氈墊，其粘結劑一定是后續SMC 配方中相吻合的低收縮樹脂。

圖4 再生碳纖維制成短切氈浸漬成連續纖維織物增強SMC

結語

隨著再生碳纖維工業化的逐漸形成，給予了碳纖維SMC發展應用的極好機遇。再生碳纖維SMC 躲過了原生碳纖維絲束目前依舊十分昂貴的問題，當然將好好的原生碳絲切斷也顯得奢華，而取再生用的碳絲來作SMC 的增強元素是一個極佳選配，其技術經濟指標也很誘人。但現有普通SMC 機組的短切紗分配供纖裝置尚待跟進改造。