回收碳纖維在汽車行業的應用

申超

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

1 引言

碳纖維因其密度小、耐腐蝕性好、力學性能突出、可設計性強等特點，在航空航天、體育器材、風力發電等領域得到廣泛的應用，預計到2021年，全球碳纖維年需求量將達到14萬噸[1]。隨著碳纖維需求量的急速增加，產生的廢棄物也在急速增加，據統計僅在歐洲，每年大約有1100噸廢舊碳纖維需要進行妥善處理。相關民航專家指出，在今后的20年內約有上千架飛機到達退役期，屆時將有約6000噸左右的碳纖維廢棄物需要進行處理[2]。航空領域因其使用條件的特殊性，在其機身材料中使用的碳纖維質量一般較高，相關研究表明這些來源于航空領域的回收碳纖維經過處理后仍能保持較高的力學性能，完全能夠滿足汽車行業對碳纖維的性能要求。圖1是碳纖維在航空航天、體育、其他工業的應用情況，從圖中可以看出碳纖維的使用量逐年增加，同時隨著碳纖維使用量的增加，碳纖維的報廢物量也急劇增加。

碳纖維性能穩定，不能自然降解，如果只是進行簡單填埋或焚燒處理將會對環境造成極大的負擔，而且由于碳纖維的經濟價值較高，簡單的填埋或焚燒也會造成資源的嚴重浪費。因此，各國都在積極研究開發碳纖維的回收技術以及回收碳纖維的相關應用。

2 碳纖維回收常見工藝

碳纖維廢棄物的來源主要有兩類：一類是碳纖維生產過程中產生的廢棄物，包括報廢的預混料、邊角廢料、測試后的報廢料等；另一類是達到使用壽命年限的碳纖維制件，包括航空航天、風力發電、工業等領域的碳纖維制品[3]。選取其中優質的碳纖維廢棄物進行回收處理，可以到較高質量的回收碳纖維。

碳纖維回收的意義在于不但能夠減少大量能源的消耗，而且可以通過可持續發展的方式會碳纖維材料進行重復利用，從而減少對環境的污染。碳纖維的回收研究始于21世紀初期，常見的碳纖維回收方法主要包括以下幾種：

2.1 熱分解法

熱分解法是利用碳纖維的耐高溫特點，在無氧條件或惰性氣體保護下，采用高溫將碳纖維復合材料中的樹脂部分分解掉，進而實現碳纖維的回收。熱分解法是目前唯一實現工業化生產的碳纖維回收技術，例如日本的Japan Carbon Fiber Manufacturers Association（JCMA）公司、英國的Recycled Carbon Fiber公司、美國的Materials Innovation Technologies RCF公司以及回收碳纖維發展最好的ELG公司都進行了熱分解法回收碳纖維的研究并實現了工業化。

圖1 碳纖維在不同行業中的應用情況

2.2 溶劑法

溶劑法是指通過化學反應，將碳纖維復合材料中的樹脂部分降解掉，實現回收碳纖維的目的。一般常用的溶劑有強氧化性酸（硝酸、硫酸）、強堿（氫氧化鉀）和有機溶劑（醇類、酚類）等。

2.3 超/亞臨界流體法

超/亞臨界流體法是指利用流體在超臨界條件下具有高活性、強溶解性、優異的流動性、滲透性、擴散性等特點，分解掉碳纖維復合材料中樹脂部分，實現回收碳纖維的目的。

2.4 物理機械法

物理機械法是將碳纖維復合材料通過破碎磨碎、粉碎等手段，將碳纖維復合材料廢棄物破碎成不同大小的顆粒，最終將得到的顆粒狀廢棄物以填料的形式添加到水泥混凝土或路基中，但由于碳纖維是一種高能源消耗、高科技含量的材料，該回收方法大大降低了碳纖維的附加值。

2.5 熔融回收法

熔融回收法主要針對熱塑性碳纖維復合材料的回收提出的。因熱塑性高分子材料具有在一定的溫度范圍內，能反復加熱軟化和冷卻硬化的性能，因此可實現回收利用。熔融回收法正是利用熱塑性樹脂可反復加工的特性，實現碳纖維的重復利用。

3 回收碳纖維在汽車中的應用

在全球節能減排的大趨勢下，汽車輕量化已經成為所有汽車制造企業重點關注的主題，汽車輕量化的意義在于滿足汽車性能要求和安全性要求的前提之下最大程度減輕汽車重量。目前來看，碳纖維已成為解決這一問題的戰略性材料（碳纖維復合材料相比于傳統的碳鋼材料，可使車身重量降低60%，續航里程提高25%以上[4]）。因此，幾乎所有的汽車企業都制定了碳纖維相關的發展計劃，甚至與碳纖維生產企業建立聯盟共同開發碳纖維在汽車上的應用。但是相關數據顯示，2018年全球碳纖維用量中汽車行業占11.7%，而在中國，這一數字僅3%不到[5]。造成這一現象的主要原因是由于碳纖維的價格居高不下，限制了碳纖維在汽車行業的應用。如表2所示，在常見的汽車用材料中碳纖維的價格遠高于其他材料。

回收碳纖維因其生產成本僅為原生碳纖維50%-80%，而且隨著工藝的成熟以及大量高質量碳纖維報廢物的供給，回收碳纖維的成本將會進一步降低，將其應用于對成本嚴格把控的汽車行業將有十分廣闊的應用前景。例如Fanran Meng等[6]從碳纖維復合材料中回收的碳纖維成本可以達到5美元/千克甚至更低。回收碳纖維相對于原生碳纖維除了具有較低的成本優勢之外，回收碳纖維的力學性能仍然具有較高的保持率。從表2中可以看出高質量的回收碳纖維的力學強度可以達到原生碳纖維的80%以上。

回收碳纖維在汽車行業的應用已經有了大量案例，這些案例驗證了回收碳纖維在汽車行業應用的可行性。例如荷蘭海牙的殼牌集團推出一款車身完全由回收碳纖維制備的概念車，驗證了回收碳纖維在汽車上應用的可行性。BMW公司在其i3，i8車型上也大量使用了回收碳纖維，不僅能降低能耗，還帶來了顯著的環保效益和經濟效益，2019年寶馬i3的全球銷量突破了15萬輛，這驗證了回收碳纖維在汽車行業批量應用的可行性[7]。英國的ELG公司與Sanko Gosei公司合作，將回收碳纖維應用到汽車前燈上，在提高硬度的同時使重量降低了8%[8]，而且該公司通過對接收的所有碳纖維進行分類，并經過嚴苛的質量管理系統確保了回收碳纖維的高質量。美國復合材料回收技術中心與ELG合作開發了一款采用回收碳纖維制造的汽車座椅靠背，該座椅減重至1.3kg。中國的華特時代碳纖維公司與意大利的一家公司合作，共同開發一些由回收碳纖維制成的汽車結構件和半結構件，不但更具有成本效益，還能夠降低二氧化碳的排放。日本汽車制造商協會（JAMA）也將于今年開展回收燃料電池汽車中使用的碳纖維的基礎研究[9]。

表1 常見碳纖維回收方法優缺點對比

表2 常見汽車用輕量化材料性能成本對比

汽車零部件減重降本可通過全部使用回收碳纖維，也可以部分使用回收碳纖維（即與原生碳纖維混合使用），而且使用回收碳纖維制成的汽車零部件仍然可以實現回收再利用，形成閉環經濟。

4 結語

碳纖維是一種能實現汽車減重50%-60%的高性能材料，但是由于成本過高限制了碳纖維在汽車行業的應用，而高質量可回收碳纖維的出現則可以很好的解決目前的難題。隨著回收碳纖維技術的成熟以及碳纖維廢棄料的來源越發廣泛，回收碳纖維的成本將會進一步降低，這符合汽車行業的減重降本需求。可以預見未來汽車行業應用碳纖維的實際案例將越來越多。