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【市場觀察】深度解析回收碳纖維的市場現狀與應用趨勢
時間:2020年09月25日 來源:本站原創  作者:佚名 瀏覽次數:

提到回收碳纖維,它的情況比較復雜,因為該行業建立在希望解決問題之上,即:期望將碳纖維廢物排除在垃圾填埋場之外,并填補碳纖維供需之間的潛在缺口,據估計目前約有30%的碳纖維最終會以廢料的形式出現。

    大多數專家一致認為,未來幾年內全球對碳纖維的年需求量可能會超過當前的年生產能力。根據Hexcel全球纖維總裁Brett Schneider的估計,全球碳纖維需求量約為每年65,000-85,000噸,而全球銘牌產能(超過實際產能)約為150,000噸。而根據Amanda Jacob今年3月的報告,到2022年全球碳纖維需求可能會超過供應24,000噸。

    雖然回收碳纖維(recycled carbon fiber, rCF)的商業供應商指出,通過對碳纖維回收可以作為解決供需之間的矛盾,但rCF行業也面臨著自身的挑戰。碳纖維復合材料回收技術已經發展了多年,并且能夠生產出具有非常接近原始材料的機械性能的產品,但是復合材料回收行業相對而言還是比較年輕,并且仍處于早期階段。

    rCF商業供應商通常將航空航天業視為生產廢料和報廢材料的主要來源,但是就填埋場而言,航空航天工業產生的廢物量很大,許多OEM和制造商回收能力有限,因此也都不愿將航空航天中的大批量產品作為供應來源。

    但在另一方面,這種局面正在取得一些進展。2018年12月,波音公司宣布將向碳纖維回收專業公司ELG Carbon Fiber Ltd.提供固化和未固化的碳纖維廢料,將其回收再用于其他復合材料,并最終用于次級產品中。該協議是碳纖維回收商與主要飛機原始制造商之間的首個正式的材料供應關系,并且似乎是該行業的一個好兆頭。

rCF不只是環境問題

    rCF的一個優勢在于可以降低成本,例如,ELG Carbon Fibre的rCF成本比工業級碳纖維低40%左右。也有其他商業供應商聲稱,他們回收碳纖維比原始碳纖維也可便宜20%至40%。由于許多應用領域需要不連續的短切碳纖維,這為rCF提供了一種很好的替代方案。

    此外,在一些情況下,rCF的質量已正是可與原始纖維相媲美。ELG Carbon Fibre通過熱解回收碳纖維,該公司的纖維通常保持至少90%的拉伸強度,而模量不變;Vartega通過采用化學回收工藝回收后的碳纖維表現出與原始碳纖維相同的機械性能;Shocker Composites公司采用在線溶劑分解工藝來回收纖維,并指出其工藝對纖維無明顯損害。

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鑒于過去幾年在rCF加工和纖維質量方面的最新進展和突破,商業供應商已開始將其關注點從rCF的向下循環轉移到性能較低的產品上,并且更多地轉向尋找可從材料特性中受益的合適應用。在這些合適的應用中,它優于初始碳纖維,而且懸垂性和表面光潔度均比純纖維好;而且它還具有可重復使用性。

rCF之于汽車行業如何?

    在市場方面,汽車行業似乎具備使用rCF的最大潛力,回收碳纖維將輕量化和良好的表面光潔度相結合,使其適用于車身面板,更不用說各種內部組件了。長期以來,rCF的商業供應商一直期待著進入這個行業,并希望能被廣泛采用,但是工藝時間和成本仍然是該行業的絆腳石。點此在新窗口瀏覽圖片

 

但一些實驗性工作已經開展,英國ProDrive Composites公司是先進的輕質復合材料的制造商,其應用范圍從汽車、賽車、航空航天到國防。該公司一直與英國謝菲爾德大學先進制造研究中心和ELG碳纖維公司合作進行P2T(從初級到第三級)工藝,這是一種使用反應性熱塑性樹脂制造可回收復合材料組件的新工藝。

    該公司表示,P2T允許復合材料使用3次或更多次,在主要部件的使用壽命結束時,纖維和可能的樹脂都可以回收,因此可為熱塑性次要部件(例如車身面板)提供原材料。當該零件達到使用壽命時,可以將其切碎并重新成型為新零件。

    與此同時,Vartega領導的復合材料制造創新研究所也正專注于汽車行業。一項為期兩年的技術合作旨在為車輛輕量化應用創建一致的回收碳纖維增強熱塑性塑料。目前該項目正在朝著強大的數據庫邁進,該數據庫提供了從纖維界面到成品零件特性材料的完整表征。

航空航天可以形成閉環嗎?

    航空航天業產生的碳纖維廢料最多,商業的rCF供應商經常將航空航天業視為回收的來源,而收集的材料通常是未固化的熱固性復合預浸料,它們通過加熱(熱解)或化學溶劑(溶劑分解)去除樹脂,以生產出經研磨、切碎或切粒的纖維。

    隨著航空航天行業領域中熱塑性復合材料(TPC)應用比例增加,這會rCF帶來了一系列新的回收機會。由于熱塑性聚合物可以重塑,因此航空航天工業會有更多機會將其自身的一些廢料用到二次應用中,從而有可能重新利用纖維和基體。

    熱塑性復合材料應用中心研究員Thomas de Bruijn指出從可行性的角度來看,對于熱塑性復合材料而言,回收再利用更有意義。GKN Fokker工程壓力專家Johan Meuzelaar 認為,如果原始材料采用了熱塑性材料,有很多零件可以回收利用。熱塑性復合材料工程師Guillaume Vincent也認為回收利用可使其成為最經濟的途徑。 

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    De Bruijn,Vincent和Meuzelaar參與了TPC-Cycle項目,該項目旨在將熱塑性復合材料加工過程中產生的生產廢料重新用于航空航天和大批量應用。目的是保持熱塑性復合材料的高機械性能,并以可承受的成本降低總體環境影響。TPC-Cycle的循環時間短,據說可以生產復雜的形狀。

    TPC-Cycle項目現在正在進行成本分析和生命周期分析,以證明該過程具有經濟效益。此外,諸如“清潔天空2聯合事業”(由歐盟的“地平線2020”計劃資助)之類的計劃也正在鼓勵著重于航空廢料閉環的研發。OEM希望將回收的工廠廢料用于內部零件、檢修面板、小零件,甚至機身夾和系統支架的潛力。

增材制造技術

    增材制造是rCF有潛力獲得應用的另一個領域。如,Shocker Composites已將其回收碳纖維以20-40%比例對ABS進行增強,并在辛辛那提公司的大面積增材制造(BAAM)3D打印工藝中的成功應用。

    Vartega表示將利用其碳纖維回收技術和材料開發專業知識來改進用于粉末床熔融添加劑制造的聚合物原料。該公司最近獲得了美國國家科學基金會的小型企業創新研究(SBIR)資助,用于該領域的研究與開發。

    此外,Vartega聲稱還正在開發一種碳纖維增強熱塑性粉末工藝,它可以同時確保材料在紅外添加劑系統中產生功能部件。據報道,這一進步將使數字制造商能夠充分發揮新型粉末基硬件平臺的潛力,以中等產量的速度生產性能與注塑材料相似的零件。

回收碳纖維的其他應用

    美國復合材料回收技術中心(CRTC)一直在探索回收碳纖維在各種產品中的應用,這些領域從公園長椅到高性能體育用品再到復合管材。該公司碳纖維主要來源于從美國東麗復合材料公司未固化預浸材料回收的碳纖維以及ELG Carbon Fibre的rCF。

    該公司最近通過一項正在申請專利的工藝開發了一種建筑級交叉層壓木材(CLT),該工藝將熱改性木材與回收碳纖維結合在一起。熱改性過程會蒸煮糖和木質素,提供耐腐爛和抗白蟻的能力,然后將碳纖維整合在一起以提高強度。

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    CRTC還使用回收的碳纖維來制作與木飾面粘合的面板,這些面板展示了具有堅固、輕巧和靈活性的木材之美,適用于各種內部和外部應用,如下圖來自2019年在西雅圖Benaroya大廳安裝的裝置。

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