增強(qiáng)碳纖維高聚物(CFRP)廣泛應(yīng)用于全球能源轉(zhuǎn)型，包括飛機(jī)和汽車輕量化、風(fēng)力渦輪葉片、集裝箱和儲氣罐。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(huán)氧胺樹脂成分的策略。

有鑒于此，美國可再生資源實驗室GreggBeckham教授解釋說，乙酸能有效地將CFRP中使用的脂肪族和芳香族環(huán)氧胺熱固性材料解聚成單一的可回收材料，從而獲得純碳纖維。對于來自多個行業(yè)的材料的解構(gòu)證明了該方法的廣泛應(yīng)用，只需2小時反應(yīng)即可獲得清潔纖維。在80.0g消費后，CFRP被縮放到最佳條件，并且由回收碳纖維制成示范復(fù)合材料，這些碳纖維被再回收兩次，始終保持其強(qiáng)度。技術(shù)建模和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析(以風(fēng)力渦輪機(jī)葉片廢料產(chǎn)量為參考)表明，該方法具有成本效率，再生碳纖維的最低價格為每公斤1.50美元，而生命周期評估表明，該工藝的溫室氣體消耗量約為原生碳纖維生產(chǎn)的99%?？偟膩碚f，這種方法可以實現(xiàn)工業(yè)碳纖維增強(qiáng)塑料的回收利用，因為它可以提供單個可以從熱固性塑料中回收的清潔和機(jī)械性能優(yōu)異的再生碳纖維。有關(guān)研究成果被稱為“Acetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling“發(fā)表在最新一期《nature》上。

【解構(gòu)模型熱固性系統(tǒng)】

首先，作者對由環(huán)氧胺樹脂組成的典型熱固性系統(tǒng)進(jìn)行乙酰解。以BADGE(雙酚A二縮甘油醚)和IPDA(異佛爾酮二胺)形成的脂肪族環(huán)氧樹脂為代表系統(tǒng)。反應(yīng)條件為：280°C，30bar氮氣保護(hù)，冰醋酸氣氛。對于20mL溶劑中250mg大小的固化樹脂小塊，在壓力反應(yīng)釜中(1)×1×0.2cm）進(jìn)行了優(yōu)化。圖1a概述了乙酰解構(gòu)機(jī)制：醚鍵和胺鍵斷裂，BPA釋放、DAIPDA、MABPA、DABPA、苯酚，苯乙酸酯（PA）和4-異丙基苯乙酸酯(4--IPPA）等產(chǎn)物。溫度選擇結(jié)果表明，隨著溫度的升高，單個產(chǎn)量迅速增加。圖 1d 說明，BPA 的產(chǎn)率在 280-300°C 時間達(dá)到峰值，約為 99mol%，而且 DAIPDA（IPDA 乙?；椒?在那里 280°C 時達(dá)到 100mol%。時間過程分析(圖) 1e）說明，BPA 衍生產(chǎn)率在 3 在一小時內(nèi)達(dá)到最高值，但是隨著進(jìn)一步加熱而下降，這可能是由于熱降解。然而，DAIPDA 產(chǎn)量穩(wěn)步上升，并在穩(wěn)步上升。 4 實現(xiàn)小時后定量回收。GPC(凝膠滲透色譜)分析(圖) 1f)驗證了可溶性低聚物的消失和消失 BPA 衍生單體的增加，進(jìn)而驗證了有效的解聚。作者證明，脂肪環(huán)氧熱固性材料的完全化學(xué)解構(gòu)是合理的，在相對溫和可擴(kuò)展的條件下，可以實現(xiàn)選擇性和可量化的單一回收。

圖 1. 乙酰分解脂肪族環(huán)氧胺熱固性材料

【解構(gòu)模型復(fù)合材料】

下一步，作者對上述環(huán)氧配方制成的碳纖維增強(qiáng)高聚物進(jìn)行了測試。 (CFRP) 復(fù)合材料。他們使用 BADGE-IPDA(脂肪族)和 BADGE-MDA(芳香族)樹脂和一層碳纖維織物制成了復(fù)合材料。圖 2a 和 g 在乙酸分解前后展示復(fù)合材料的照片。該過程在 20 mL 乙酸、280°C、30bar N? 環(huán)境下以 500 mg 重復(fù)基質(zhì)規(guī)模。圖 2b 和 h 詳細(xì)揭示了單個產(chǎn)率隨時間變化：脂肪族 CFRP：BPA 含量達(dá)到峰值 96mol%，DAIPDA 含量達(dá)到峰值 59mol%。芳香族 CFRP：BPA 大約是衍生物的含量 乙?；?7-59mol%， MDA 產(chǎn)物（MAMDA、DAMDA）含量明顯增加。SEM 圖像（圖 2c-e、i-k）與回收碳纖維進(jìn)行比較 (rCF) 還有原始碳纖維 (vCF)，發(fā)現(xiàn)它的形態(tài)變化很小。拉伸模量檢測(圖表) 2f 和 l）說明，在 1-2 在一小時的解構(gòu)時間內(nèi)，回收的碳纖維在統(tǒng)計學(xué)中沒有出現(xiàn)明顯的機(jī)械性能下降。只有芳香族樣品 4 小時后才出現(xiàn)微小的差別。 (P=0.0326)。碳纖維的成功回收清洗，機(jī)械強(qiáng)度高，表明化學(xué)解構(gòu)工藝與實際相關(guān) CFRP 結(jié)構(gòu)適應(yīng)，不損壞其珍貴的增強(qiáng)材料。

圖 2. 脂肪族和芳香族環(huán)氧胺 CFRP 的乙酰分解

【消費后與后工業(yè)基材單獨分離】

為評估實際應(yīng)用，作者從各種消費后和工業(yè)廢料中獲得了CFRP/GFRP：太空工程CFRP、CFRP船舶、山地自行車面板，醫(yī)療設(shè)備，潮汛渦輪葉片。圖3a-e顯示了TGA熱譜圖，這些不同材料的照片和SEM，以及反應(yīng)前后的樣品。在所有條件下，樹脂去除率都在88%以上，具體值如下：山地自行車CFRP：CFRP醫(yī)療器械樹脂去除率97.0%：GFRP潮洪渦輪機(jī)95.5%：使用GC-MS和88.7%LC-通過對MS的單一分析，發(fā)現(xiàn)了各種雙酚和胺衍生物。雙酚-F和雙酚-F在航天工程CFRP中被檢測到。-AF。DAIPDA仍然可以檢測到船舶/渦輪機(jī)的材料，而其它材料則表現(xiàn)出更復(fù)雜的降解方法。選擇分級水解和離子交換床。（Amberlyst-45)實現(xiàn)單一分離。使用90個模型系統(tǒng)°HCl萃取法回收粘附在料層上的0.8mmolDAIPDA，回收率為12%。

圖 3. 乙酰分解反應(yīng)在消費后材料上

【復(fù)合循環(huán)擴(kuò)大和切碎】

使用 80g 短切山地自行車碳纖維增強(qiáng)塑料板材 (1×1cm) 進(jìn)行放大試驗。在 400mL 乙酸中，于 280°C 下反應(yīng) 2 小時，獲得 56.6g rCF，殘留的樹脂含量低于 1.2wt%。 再生復(fù)合材料板采用濕法鋪層和模壓成型回收纖維。樹脂 (80wt%) 和 rCF (20wt%) 用來準(zhǔn)備三代再生 CFRP 復(fù)合材料(Gen1) 至 Gen3）。作者報告了三點彎曲試驗： Gen1：比彎曲強(qiáng)度 ~230 MPa·cm?3;/g Gen2 和 Gen3：~210-220 MPa·cm?3;/g 三種材料的特性都優(yōu)于鋁。 (70 MPa·cm?3;/g) 和 304 不銹鋼 (110 MPa·cm?3;/g)。 根據(jù)統(tǒng)計測試，各代材料的特性沒有明顯下降(Gen1-Gen2 P=Gen1-Gen30.0807 P=0.1480）。

[流程建模，TEA 和 LCA】

作者展示了一張簡化的工藝流程圖(圖) 4a）：CFRP 輸入物經(jīng)切碎、溶解、纖維分離、溶劑蒸餾后再利用。單一分離涉及酸堿中和和填料床反應(yīng)釜 (PBR)。 圖 4b-c 給出了年產(chǎn) 10,000 噸（30 噸/天)設(shè)施經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)： 資本支出 (CAPEX)：3370 萬美金 年度運營費用：470 萬美金 rCF 最低售價 (MSP)：1.50 美金/KG 副產(chǎn)物抵免(單個)：0.60 美金/KG。圖 4d 顯示了單一變量的敏感性分析 MSP 根據(jù)樹脂含量、原材料成本和價值 BPA 分解情況在 1.30 美元/KG到 1.65 美元/KG之間的變化。作者對生命周期評價進(jìn)行了對比。 (LCA) 類別（圖 4e）： 溫室氣體消耗：0.04 千克二氧化碳/千克 (rCF) vs. 46.0 千克二氧化碳/千克 (vCF) 全球變暖、化石燃料短缺、水源消耗和身體毒性降低 90% 以上。圖 4f-g 表明，即使樹脂含量高，溫室氣體的消耗和最低可回收利用率也是如此 (MSP) 仍保持在較低水平。它證明了該工藝的可行性和優(yōu)異的環(huán)保性能。

圖 4. CFRP 乙酰分解技術(shù)的工藝模型及經(jīng)濟(jì)環(huán)境評估

【總結(jié)】

本研究提出了一種有效的環(huán)氧胺解聚方法，可以單獨回收，提供優(yōu)質(zhì)、清潔的再生碳纖維。(rCF)，可以用于新的應(yīng)用。模型交聯(lián)材料完全解構(gòu)，原纖維最早可在1小時內(nèi)回收。醋酸分解法已經(jīng)被證明對多種消費后和工業(yè)后材料有效。最初的放大生產(chǎn)為rCF的循環(huán)驗證提供了材料，其制備的去氯氟烴(dCFC)板材的抗拉強(qiáng)度和重量比高于鋼和鋁，并且在兩次回收過程中保持良好。綜合技術(shù)建模提供了經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響指標(biāo)，顯示出其廣闊的前景。

免責(zé)聲明:中國復(fù)合材料協(xié)會微信微信官方賬號發(fā)布的文章僅用于復(fù)合材料理論知識和市場信息的交流與分享，不用于任何商業(yè)目的。如果任何個人或組織對文章版權(quán)或其內(nèi)容的真實性和準(zhǔn)確性有疑問，請盡快聯(lián)系我們。我們會及時處理。

繼續(xù)滾動閱讀下一個輕觸閱讀原文。

學(xué)會向上滑動中國復(fù)合材料，看下一個。

原題：“【復(fù)材資訊】一瓶醋酸，回收碳纖維復(fù)合材料，登上Nature正刊！

閱讀原文

本文僅代表作者觀點，版權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如需轉(zhuǎn)載請在文中注明來源及作者名字。

免責(zé)聲明：本文系轉(zhuǎn)載編輯文章，僅作分享之用。如分享內(nèi)容、圖片侵犯到您的版權(quán)或非授權(quán)發(fā)布，請及時與我們聯(lián)系進(jìn)行審核處理或刪除，您可以發(fā)送材料至郵箱：service@tojoy.com