「看無人機夜空秀」複合材料是如何實現回收與利用的？

2020-09-09 塑料機械網

　　9月1日晚，山東省萊西市人民廣場上300架無人機上演了一場無人機夜空秀。以天為幕，以城為景，光影變化間勾勒出了「最美萊西」、「空中客機」、「美麗空乘」、「帥氣機長」等一幕幕璀璨畫卷。

　　隨著無人機的輕量化需求發展，其機體使用的材料也在不斷更新換代。複合材料使結構輕量化，從而進一步減少燃油消耗和廢氣排放，在繼鋁合金、鈦合金等輕質化金屬材料之後，日益發展為無人機製造業的「新寵」。甚至可以說，以碳纖維複合材料為核心的無人機結構設計、製造技術已經成為無人機發展的關鍵性技術。

　　其實，不只是無人機，還有風力渦輪機葉片、高爾夫球桿等眾多我們熟知的產品，纖維增強聚合物(FRP)複合材料重量同樣佔比很大。在義大利研發中心CETMA的技術領導下，空客A320將熱塑性複合材料用於焊接龍骨梁；阿科瑪公司的高性能Kepstan 7000 PEKK熱塑性碳纖維複合材料和9T Labs公司推出的Red系列增材製造解決方案相結合，生產了一款直升機艙門鉸鏈零件；中國原創設計旅行品牌途加(TUPLUS)推出的「核」系列碳纖維旅行箱，採用科思創的碳纖維複合材料作為旅行箱的前後門板……

　　作為高性能類別的結構材料，碳纖維增強聚合物(CFRP)複合材料尤其受歡迎，因具有質輕、耐疲勞、耐腐蝕、出色的強度和模量等特點，被廣泛應用於各領域。而高應用率帶來的是高廢棄率，嚴重的環境汙染和資源浪費下，回收利用狀況令人擔憂。

　　今年7月份，布裡斯託大學可持續發展峰會上發起了一項名為「可持續複合材料」的新倡議，由國家複合材料中心(NCC)和工藝創新中心(CPI)牽頭，旨在通過應對複合材料回收的挑戰來開發下一代可持續複合材料。該計劃指出，英國每年生產的11萬噸複合材料中，目前只有不到15％在其使用壽命結束時被回收再利用，這意味著英國超過85%的複合材料在其使用壽命結束後直接報廢。此外，他還指出，儘管複合材料可以延長其應用產品的使用壽命，但回收過程卻很困難，當前的回收技術通常會降低材料的性能，降低其價值並限制了其應用範圍。

　　據筆者了解，並非沒有人嘗試過對複合材料進行回收。事實上，恰恰相反。幾十年來，工程界一直致力於物理方法回收FRP複合材料，但結果不盡如人意。當前，現有的回收FRP複合材料的方法主要是將FRP切碎後作為添加劑使用，或者對聚合物基體進行熱解或溶劑溶解使聚合物基體與纖維分離，從而達到回收纖維的目的，但這些過程不可避免地會破壞聚合物基體並損傷纖維，降低纖維的長度、強度和剛度，回收價值低。

　　「日拱一卒無有盡」，中國象棋裡的「卒」，一次只能走一步，但每天只要前進一點點，終會有所成就。

　　近日，事情發展似乎迎來了轉機。來自美國南加州大學洛克碳氫化學研究所和M.C.Gill複合材料中心的Travis J.Williams教授團隊從物理回收方法、高壓分解、大氣壓分解及本徵可回收的熱固性基體等方面重點概述了FRP的回收方法，並針對熱固性基體中特定化學鍵的設計發展新的化學方法，以此應用到FRP的回收問題，最後對複合材料的回收方法進行了展望。

　　物理回收方法：主要依靠機械設備，通過機械力將複合材料碾碎、壓碎或切碎，獲得尺寸不一的塊體顆粒、短纖等物質。而回收的複合材料廢料顆粒，可以作為結構填料填充到新的複合材料或水泥中。但與昂貴的碳纖維成本相比，將CFRP作為添加劑使用所獲得的價值很小。

　　高壓分解：依賴於溶劑體系，使用酸或鹼試劑加速其溶解。根據副產物分析，這些條件似乎以交聯的C-N鍵和仲醇為目標，對二氨基二苯甲酮的觀察表明存在氧化劑如氧氣，會進行C-H氧化。

　　大氣壓分解：纖維受損更少，甚至可以保留纖維的原始有序結構。沒有超臨界溫度和壓力的作用，必須選擇一定化學試劑裂解交聯鍵，將FRP回收從工程問題轉變為化學問題。需要基礎反應化學方面的專業知識，而複合材料回收領域以前從未將其作為重點。

　　本徵可回收的熱固性基體：開發本徵可循環回收的熱固性基體是實現複合材料循環利用的有效方法。通過引入可降解的化學鍵(如酯鍵)，熱固性基基體在外界刺激(如溫度、化學物質、光解作用)時可以循環回收利用。

　　推進複合材料可持續發展，降低使用成本和對環境影響，探索複合材料回收再利用技術勢在必行。而顯然，相較於物理回收方法，似乎只要找到僅需要相對溫和條件的可擴展解決方案，就可以實現FRP複合材料而不會造成其它回收問題。當然，這其中高額的運行成本和相對較慢的速率問題同樣亟待解決。不過，不管如何，化學解決方案為之提供了新的思路。

　　部分內容參考：中國航空報、皇家化學學會(ROYAL SOCIETY OF CHEMISTERY)

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