中國“強制使用再生塑料”時代第1展

2025年9月2日·浙江寧波，點擊上圖報名ChinaReplas大會

摘要：碳纖維增強聚合物（CFRP）用于全球能源轉型的許多應用中，包括用于輕量化飛機和車輛以及用于風力渦輪機葉片、集裝箱和氣體儲存容器。鑒于CFRP的高成本和能源密集型制造，需要回收完整的碳纖維和環氧樹脂的回收策略，胺樹脂組分。在這里，表明乙酸有效地解聚用于CFRP的脂肪族和芳香族環氧胺熱固性材料為可回收的單體，產生原始的碳纖維。來自多種材料的解構證明了這種方法的廣泛適用性，從2小時的反應中提供清潔的纖維。最佳條件被放大到80.0 g的消費后的CFRP，并且由再循環兩次的再循環碳纖維制造示范性復合材料，在整個過程中保持其強度。工藝建模和技術經濟分析，原料成本由風力渦輪機葉片廢物產生所告知，表明這種方法是成本有效的，回收碳纖維的最低售價為每公斤1.50美元，而生命周期評估顯示，工藝過程中的溫室氣體排放量比原始碳纖維生產低約99%。總體而言，這種方法可以實現工業碳纖維復合材料的回收，因為它提供了清潔，機械可行的回收碳纖維和熱固性樹脂中可回收的樹脂單體。

研究背景

高性能材料的“終極回收難題”

碳纖維復合材料（CFRPs）因其優異的強度重量比、耐腐蝕性與耐久性，正在逐步替代鋼材和鋁材，尤其在綠色能源與交通輕量化領域。然而，其制造過程不僅復雜，還造成大量溫室氣體排放。

當前，碳纖維生產多依賴聚丙烯腈（PAN）纖維碳化，每公斤碳纖維的碳足跡高達25公斤CO?。配套的環氧樹脂生產同樣高能耗，而且難以降解，這也導致大量復合材料廢棄后只能填埋，回收率極低。

雖然已有研究嘗試回收CFRPs，如熱解、溶劑法等，但大多僅能回收碳纖維，無法回收樹脂成分，循環利用難度大。本文提出一種新型方法——使用“醋酸解聚”（Acetolysis），能實現樹脂和碳纖維的雙回收，打破復合材料不可回收的“魔咒”。

研究方法

研究人員用一種被稱為“乙酸溶解反應”的方式處理含環氧樹脂的CFRP材料。具體步驟如下：

1. 將CFRP切碎后放入耐高溫反應釜中；

2. 加入一定量的純乙酸，密封反應容器并加壓；

3. 加熱至280℃左右，反應2小時；

4. 冷卻后過濾出碳纖維，再通過溶劑回收液態產物。

研究首先在小型模型中驗證了方法的有效性，包括使用不同胺類固化劑和稀釋劑制成的環氧樹脂樣品。之后，擴展到實際應用場景，如報廢飛機、風電葉片、山地車車架等真實廢棄材料。

研究結1. 樹脂徹底分解，回收高純度單體

該方法能夠打破環氧樹脂中的C–O 和 C–N 化學鍵，產出兩類主要單體：

• 雙酚A（BPA）及其衍生物；

• 胺類固化劑的醋酸酰胺形式，如DAIPDA（乙?；腎PDA）。

例如，在260–300℃下，反應3小時后可獲得高達95%的DAIPDA和69%的BPA衍生物。

2. 碳纖維完整回收，不損力學性能

回收的碳纖維經掃描電鏡（SEM）觀察，表面光滑無殘留樹脂，經單絲拉伸實驗測試，其拉伸模量與未使用碳纖維無顯著差異。更重要的是，即使經過二次、三次循環使用，材料性能依然穩定。

3. 適用于多種工業場景

作者測試了多種來自實際工業的CFRPs，包括：

• 飛機邊角料；

• 帶鋁蜂窩芯的帆船板材；

• 報廢山地車車架；

• 醫療矯形器；

• 潮汐能發電用玻纖復合材料。

這些樣品在無需復雜預處理的情況下，樹脂去除率均達到95%以上，有的甚至接近100%，表現出高度的普適性。

4. 成本低，環保效益顯著

技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）表明：

• 每公斤回收碳纖維最低售價可低至1.5美元；

• 相比原生碳纖維制造，碳排放降低了99%；

• 工藝所需的主要能源為加熱蒸汽與乙酸，成本可控。

圖文解析

圖1.脂族環氧-胺熱固性材料的醋酸解

圖2.脂肪族和芳香族環氧-胺CFRP的醋酸解

圖3.消費后材料上的乙酰解反應

圖4.碳纖維增強塑料醋酸解工藝模型及經濟環保評價

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總結

本文的最大亮點在于提出并驗證了一種適用于當前工業主流環氧胺樹脂的高效“醋酸解聚”工藝。這一方法突破了傳統熱解法“只回收纖維、丟棄樹脂”的技術瓶頸，實現了對CFRP全成分的高效分離與回收。在實現碳纖維完整保留的同時，還可回收高純度的雙酚A和胺類原料，具備實現“閉環循環”的潛力。此外，該技術操作相對簡便，能在溫和條件下快速完成反應，并且已經在真實工業樣品中完成測試，為后續商業化落地奠定基礎。經濟與環境評估的良好表現，使其成為推動高性能材料循環經濟的有力工具。未來若能與連續化工藝結合，或進一步拓展到其他熱固性復合材料，其影響力將不容小覷。

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主題：成熟的技術與成功的項目

2025年9月3-5日·浙江寧波

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