1 简介
多年来，材料科学领域的快速发展促进了新型材料的高效开发，这些材料在许多工程应用中正在取代传统的金属材料和合金。 两种不同特性的材料协同组合形成复合材料。 可用于开发复合材料的原材料包括聚合物、金属和陶瓷。 在所有复合材料类别中，高分子复合材料以其强度高、重量轻、耐腐蚀性好、抗疲劳性能优异等优点被广泛应用于飞机和汽车工业。 这些高分子复合材料的增强材料主要是碳纤维（CF）和玻璃纤维（GF）。 据统计，超过50%的飞机结构由复合材料构成，主要形式为碳纤维增强聚合物（CFRP）和玻璃纤维增强聚合物（GFRP）。 例如，波音 787 中含有约 32 吨此类复合材料。 空客 A350、庞巴迪和纤维金属层压板 (FML) 复合材料等不同航空公司也被广泛使用。 FML 是另一类含 CFRP 的复合材料（包括 GFRP 和金属合金板）。 除了合成纤维和金属外，环氧树脂通常用作基材。 热固性聚合物的稳定性不受环境因素（如湿度、温度变化）的影响，具有优良的耐腐蚀性。 不可避免地，这些成分会导致更多的塑料垃圾，研究人员必须努力解决垃圾问题。 根据 2015 年英国供应链复合材料废弃物报告，近 98% 的复合材料废弃物和报废 (EOL) 成分被掩埋在垃圾填埋场。 绝大多数国家主要依靠传统的垃圾处理，如复合垃圾的焚烧和填埋，纤维增强聚合物（FRPs）主要在垃圾填埋场处理。 焚烧过程中回收的能量取决于焚烧炉的效率和复合材料的能量含量。 研究表明，通过碳纤维增强塑料废弃物的第四纪回收（焚烧）建筑材料的回收利用，可产生约30 MJ/kg的能量。 这些处理方法不环保。 焚烧产生大量影响环境的CO2，垃圾填埋场造成不同的地下水问题。 多个欧洲国家正在禁止垃圾填埋场，并计划到 2030 年将城市垃圾减少 10%。此外，欧盟委员会对建筑垃圾、车辆和材料的废物管理实施了严格的规定，迫使复合材料消费行业探索新的高效方法废物回收利用的方法。 从生态保护和可持续发展的角度出发，处理复合垃圾的不同方法如图1所示。
图 1：复合废物环保、经济和可持续处置的不同方法
回收一般是指废物的再利用，根据需要将废物回收或转化为产品、材料或组件的过程。 循环经济也称为零废物制造，是一种工业系统建筑材料的回收利用，允许产品在制造后可以再制造、再利用和回收。 在当今世界，相关行业可以通过设计闭环循环来发展循环经济。 此外，由于复合材料的导电性，其有效的物理特性有助于转化和回收。 总之，循环经济不仅有助于消除有毒物质和废物，而且有助于开发具有适当机械性能的产品。 进入21世纪，全球对高分子复合材料的需求在不同的工业应用中呈指数级增长，这也意味着高分子复合材料的废弃物处理将面临巨大的挑战。 据统计，不同聚合物的数量和消耗量呈指数级增长，全球碳纤维产量约为每年1万吨。 此外，据估计，到 2050 年，将产生约 250 亿吨塑料垃圾。 唯一可行的回收解决方案是通过循环经济，这也有助于更好地利用 EOL 复合材料和塑料废物。 利用自然资源，例如在复合材料中采用天然纤维 (NF)、多糖（淀粉、面筋和纤维素）和其他天然生物聚合物，是减少聚合物复合材料浪费的另一种有效方法。 这些复合材料还具有客观的力学性能，可应用于许多制造领域。 此外，这些复合材料易于降解，对环境无害。 然而，这些复合材料由于其吸湿性，不能用于制造飞机、风力发电等部件。 相反，使用 CFRP 和 GFRP 的聚合物复合材料广泛用于飞机、风力叶片和汽车外部部件。
1.1 研究缘由
尽管许多已发表的研究都涉及复合材料的回收技术，但只有少数研究提到了基体聚合物复合材料中热固性树脂的回收方法。 此外，也没有关于聚合物复合材料回收技术的详尽文献，特别是在计算每个回收过程中的能源需求方面，只是对不同回收技术的一般概述。 本综述旨在通过识别每个循环过程来全面介绍当前的聚合物复合材料回收技术、应用和未来挑战。 例如，在机械回收中，热量需求主要取决于使用 MAS1 工业造粒机的回收。 在热循环中，热需求由熔炉决定。 此外，对化学品的使用和化学品回收的研究将有助于建立高分子复合材料的处理路线，并提供有关回收过程的信息。 最后，文章总结了通过将复合材料转化为回收聚合物基体、制造废料和 EOL 复合材料以回收纤维来再制造复合材料的方法。
2 回收技术
回收技术不仅对复杂的废物管理有价值，而且还能为循环经济和可持续技术增加价值。 联合国于 2015 年制定的可持续发展目标 (SDG) 是世界的重要目标。 回收技术有可能实现一些可持续发展目标。 例如，回收技术有助于废物的再利用，最终减少整体废物并提供更清洁的环境。 这些最终将有助于实现一些可持续发展目标（图 2），例如（目标 6：清洁水和卫生设施）、（目标 13：气候行动）和（目标 15：陆地生物）。 此外，回收技术模拟了循环经济。 与线性经济模型相比，循环经济模型可用于废物预防、资源效率和可持续材料技术。 回收聚合物复合材料有助于循环经济模型，如图 3 所示。纤维增强聚合物复合材料 (FRPC) 的回收通常通过机械、热和化学方法进行。 根据以往文献研究，机械法能耗最低，热回收法能耗最高，化学法能耗最高。 然而，所有这些回收方法都比传统的填埋和焚烧方法更节能。
图 2：通过回收和再利用聚合物复合材料可实现的可持续发展目标
图 3：聚合物复合材料的循环经济模型
由于缺乏相关研究，回收技术在实用性上还欠缺。 有时，回收过程有不同的能源需求，如机械、热和化学过程，例如使用不同能量从聚合物基质中分离 GF 和 CF 的回收技术。 全球范围内 EOL 复合废物的一个真正问题在于难以为下一代应用重塑通常不可生物降解的热固性基质。 已经开发了多种现代技术来回收复合材料，特别关注不同聚合物基体的纤维复合材料。 关于热固性聚合物与纤维的分离，热固性树脂废料被造粒、燃烧，然后用作填料，这导致其机械和物理性能的显着损失。 热固性基质的燃烧可用于恢复回收纤维的强度和回收过程中消耗的能量。 此外，为了使复合材料的回收过程更加可行和更具成本效益，可以回收高质量的合成纤维和热固性树脂。 Hadeg Ltd.、GmBH、Alpha 、Stade、GmbH & Co. KG 和 MIT-RCF 等众多公司都可以有效地回收 CFRP 和 GFRP。 此外，MIT-RCF认为，碳纤维的再利用是减少碳纤维复合材料浪费的最佳途径之一。 与生产新CF相比，回收CF的能耗降低了96%。
本文由中国复合材料工业协会翻译。 文章不用于商业目的，仅供行业交流。 请注明报价来源。
