随着碳纤维变得越来越普遍，它将如何回收？

碳纤维是一种轻质耐用的材料，在汽车、风力发电、航空航天和机器人行业中很常见。这种先进的复合材料具有强度高，可以模制成适合几乎任何应用。因此，它已成为一种非常受欢迎的选择。值得注意的是，这种受欢迎程度引发了一些问题，即如何处理废弃产品产生的碳纤维废料。以下是您需要了解的所有信息。

碳纤维增强聚合物 (CFRP)

碳纤维可以以不同的方式排列，并涂上基质树脂，制成碳纤维增强聚合物。这种材料具有出色的强度重量比，使其成为当今最先进设备、制造和能源创造过程的核心部件。

碳纤维的处理

一旦含有碳纤维的产品变成垃圾，就需要提取这种经久耐用且仍然有价值的材料。碳纤维碎片的复杂结构以及固化后无法重塑的环氧树脂继续使废物管理成为一个严重的问题。因此，过去几年出现了几种新颖的回收方法。

传统回收方法

遗憾的是，许多最流行的传统回收方法要么不起作用，要么需要大量能源才能完成，从而消除了任何成本效益。使用化学品松动环氧树脂并去除纤维效率低下。此外，它还会以危险化学品的形式产生大量环境废物。

其他方法需要将碳纤维聚合物置于极热环境下以产生分离。这种方法耗能且危险。此外，这两种方法都会使回收的碳纤维束的抗拉强度降低多达 85%，使该材料无法用于大多数应用。

电液破碎

目前，从聚合物中回收碳纤维丝的最先进方法是使用电液破碎法。这种方法将高压放电通过水池。当高压脉冲产生等离子体时，碳纤维就位于该水池中。等离子波以微秒脉冲运行，通过冲击波分离材料。

这种方法比其他依赖热量和化学品的方法效率更高、效果更好。此外，它仅使用传统回收方法三分之一的能源，并能有效去除粘合剂和树脂。不过，它也存在一些缺点，例如碳纤维的抗拉强度会下降。

需要更好的选择

虽然电液碎裂法比化学工艺有了重大飞跃，但它仍然有所欠缺。更好的解决方案是保持纤维强度，使纤维架能够多次重复使用而不会降低其耐用性。理想情况下，它可以去除纤维束上的所有树脂和粘合剂残留物。值得庆幸的是，早稻田大学的一支创新研究团队推出了一种新工艺，可以彻底改变碳纤维回收利用，使这种材料可以在没有环境风险的情况下用于更多应用。

直接放电电脉冲用于碳纤维回收研究

早稻田大学的工程师介绍了一种更高效、更低成本的碳纤维聚合物回收方法。这种方法被称为“直接排放”，在《科学期刊》上发表的一篇论文中进行了详细解释。在 纸¹研究团队介绍了他们回收碳纤维的新方法，并根据电液碎裂法对其进行了测试。

直接放电电脉冲

直接放电电脉冲方法无需向熔池施加电流。相反，它利用焦耳加热和蒸汽膨胀从内到外分离材料。这种方法沿着材料边缘产生等离子体。反过来，热应力会产生膨胀力，将纤维与环氧树脂分离。

来源 – 科学报告

用于碳纤维回收测试的直接放电电脉冲

为了证明新方法的有效性，他们进行了多次测试。测试详细比较了两种碳纤维回收方法。具体来说，工程师们监测了关键指标，包括碳纤维线的长度、抗拉强度、未去除的树脂残留量以及其整体降解情况。此外，该团队还比较了能源需求，以全面了解每种方法的性能。

CFRP 层压板

科学家通过制作 CFRP 层压板开始了测试阶段。层压板的设计代表了常见的飞机部件，使其成为使用真实场景检查有效性的理想方法。层压板厚度仅为 8 毫米，采用常见的碳纤维平纹编织层。该材料具有连续层，以 45 度角交替排列。这种布局很常见，因为它具有出色的弹性和耐用性。

直接排放法

为了测试直接放电方法，团队制作了两个 CF 样品，长度分别为 100 毫米和 30 毫米。工程师使用橡胶夹对样品进行绝缘，以确保电流保持稳定。然后将整个装置放入自来水中，并将脉冲直接施加到样品上。

具体来说，工程师使用 10 kV 的充电电压和 80 µF 的电容测试了该过程。使用传感器阵列和高速摄像机捕获了这些数据。然后，工程师利用 X 射线断层扫描和电场模拟来追踪残留物。

电液破碎法

为了测试电液法，该团队制作了 20 毫米见方的样品。样品越小，工程师们就可以使用更小的测试容器，从而更好地跟踪任何变化。将样品放入水中，然后将电流施加到水中，而不是像直接放电法那样直接施加到碳纤维聚合物上。

测量光纤

实验结束后，研究人员从每次测试中收集了 100 根碳纤维。使用 HiROX RX-100 光学显微镜比较它们的长度。然后，使用 TM4000 Plus 扫描电子显微镜扫描这些纤维以确保其结构完整性。此外，该团队在不同温度下称量这些纤维以追踪其降解情况，并使用 SHIMADZU EZ-SX 进行单纤维拉伸强度测试。

碳纤维回收测试结果

研究结果表明，与电液破碎法相比，直接放电法对碳纤维回收更有效。研究人员确定，他们的新方法能够回收更长、强度更高的纤维。此外，它还成功地完全分离了更长的纤维并去除了残留物。令人印象深刻的是，研究小组发现，这种回收方法保留了 81% 的拉伸强度。

直接排放效率更高。

直接放电法被发现效率更高。当施加电脉冲时，团队从第一个脉冲开始跟踪即时变化。这些影响发生得很快，因为树脂的药水分解并变成等离子体，产生了内部冲击波，将线材分开。

电液破碎法

有趣的是，研究人员发现，电液破碎法至少需要 100 次充电才能对材料产生影响。因此，电液破碎回收工艺的运行成本远高于直接放电工艺。此外，与直接放电工艺相比，CF 纤维上剩余的树脂更多。

优点

这项研究带来了许多好处。首先，它为碳纤维和聚合物的更多用途打开了大门。随着更高效的制造方法的出现，这些轻质材料将在您的车辆中变得更加普遍。因此，高效回收这种宝贵的材料至关重要。

高效

直接放电回收方法比电液破碎方法更有效，原因有多种。首先，焦耳加热可以在微秒内产生，从而实现近乎即时的分离。研究小组发现，直接放电方法至少将能源效率提高了 10 倍。

有效

这项研究的另一个主要好处是它更有效。能够准确地将碳链与残留物分离，这是一个改变游戏规则的方法。这种方法减少了碎片，同时保持了 80% 以上的抗拉强度。

环保为核心理念的

就环境影响而言，直接排放方法降低了所有风险。它不需要有害化学物质或大量热量。因此，存储和应用要求极低，允许在更多地区部署该方法。

研究人员

碳纤维回收研究由早稻田大学开展。创意科学与工程系的 Chiharu Tokoro 教授领导了这项研究。Keita Sato、Manabu Inutsuka 和 Taketoshi Koita 也参与了这项研究。现在，该团队将扩大他们的努力，以进一步研究如何增强直接排放方法。

可从碳纤维回收中获益的公司

有几家公司的产品和定位都受益于本研究的结果。碳纤维可用于替代许多不同的材料，随着其价格下降和制造能力提高，肯定会出现一些真正的赢家。以下是一家定位正确、可以从本研究中获益的公司。

Clearway 能源公司

Clearway 能源公司 (W +0.86% ) 是一家领先的可再生能源技术和基础设施提供商。该公司总部位于新泽西州，为全球客户提供风能、太阳能和热能解决方案。值得注意的是，Clerway 是声誉最高的可再生能源提供商之一。目前，该公司在美国运营着 350 多种清洁能源产品。

投资者认为 Clearway 是一个有吸引力的选择，因为它的稳定性以及该公司对透明度和创新的执着。如果 Clearway Energy Inc. 将回收的碳纤维整合到其产品中，它可能会节省大量成本。这些节省的成本可以转嫁给消费者，推动可再生能源的采用，并提高 Clearway Energy 的投资回报率。

回收碳纤维是许多行业的关键

从回收碳纤维研究的结果来看，很容易看出新方法将为更便宜、更易获得的碳纤维打开大门。未来，汽车上过去重达几磅的部件可能会变得轻如盎司，同时保持其强度。所有这些因素以及更多因素都可能实现，这要归功于创新的研究人员推动更高效的碳纤维回收方法。

了解更多可持续发展项目 现在.

学习参考：

^{1. Tokoro, C.、Sato, K.、Inutsuka, M. et al. 利用直接放电电脉冲从碳纤维增强聚合物中有效回收碳纤维。 Sci Rep 14，29762（2024）。 https://doi.org/10.1038/s41598-024-76955-0}