建立对回收碳纤维的信心:为什么要使用回收碳纤维?

作者:CompositesWorld AMANDA JACOB(本刊编译) 文章来源:PT塑料网 发布时间:2019-11-20
使用回收碳纤维的3个主要驱动因素是成本、供应的安全性和环境的可持续性。

回收碳纤维正在日益证明其将成为适合汽车和其他高产量应用的具有环境可持续性的低成本复合材料解决方案。

碳纤维复合材料以其提供“低CO2排放的更具可持续交通解决方案”的潜力而广受关注。然而,在生命周期的生产阶段及使用寿命终结阶段,却显示出其对环境的影响要比其通常替代的金属更高。目前,碳纤维复合材料的生产方法导致了大量的废弃物,而得到回收利用的却很少。不仅如此,大量的使用寿命终结的产品也很快会加入进来。这些废物流大多被填埋。随着碳纤维复合材料应用的持续增加,以及“零废物填埋”这一可持续发展战略的推进,使得回收和再利用这种昂贵资源的途径变得日益重要。虽然发展这项业务并不容易,但世界上有少数公司已经在着手应对“建立碳纤维回收业务”所面临的技术上的和商业上的挑战,ELG Carbon Fibre公司(以下简称“ELG”,英国Coseley)就是其中之一。该公司在英国运营着一个产能1500t的工厂,目前正在为向全球扩展作着准备。

2018年,ELG在英国华威大学举行了第一次技术研讨会,邀请了该公司的学术合作伙伴和客户,分享了最新研究成果,交流了经验并讨论了知识缺口以及市场增长的潜在障碍。

“正在进行的回收碳纤维研究范围是广泛的,但个别的项目往往是孤立的。”ELG的总经理Frazer Barnes指出,“我们想要分享广泛的技术研究和实践经验,我们现在已经有能力建立市场信心。”

ELG阐述了使用回收碳纤维的3个主要驱动因素:成本、供应的安全性和环境的可持续性。

成本主张集中在使轻量化的碳纤维复合材料更便宜。据介绍,ELG回收的碳纤维拥有类似于原生纤维的力学性能,通常至少保持了90%的拉伸强度,而模量不变。这种纤维的价格通常比工业级别的原生纤维低40%。因此,回收纤维能够以明显更低的成本,为部件提供类似于原生纤维的减重优势,这使其为汽车轻量化应用带来了吸引力。取决于设计,由100%回收碳纤维复合材料制成的部件,通常比原生碳纤维制成的部件重大约5%,而含有大约10%原生碳纤维和90%回收碳纤维的混合碳纤维的复合材料设计,则实现了相同的减重效果但成本却显著降低。在注塑成型的部件中,采用回收碳纤维增强的热塑性塑料提供了与原生碳纤维同样的性能优势,而重量却没有增加。


比原生纤维便宜

ELG Carbon Fibre的回收碳纤维与原生纤维的成本对比(图片来自ELG Carbon Fibre

采用回收碳纤维还可以缓解原生碳纤维供应短缺的问题。随着碳纤维需求的增加,制造商们正在计划扩张产能,但根据一些分析的预计,到2022年,供给缺口将达到大约24000t。采用当前的复合材料制造技术,废料可能占产量的30%左右,导致全球每年来自制造环节的碳纤维废料就达到大约24000t。到2021年,这一数字可能会增加到大约32000t。目前,只有不到1000t的废料得到回收,而且大量的报废产品很快就进入废物流中。ELG预计,第一批高产量的报废废弃物将来自风能和航空领域,第一批大量使用碳纤维的涡轮叶片和商用飞机即将结束其设计寿命。从废物中回收的纤维可以填补供给缺口,并有可能被用于帮助发展整个碳纤维市场。


解决碳纤维的供给不足问题

回收碳纤维可被用于缓解预期的原生碳纤维供给不足问题(图片来自ELG Carbon Fibre

使用回收碳纤维的第三大驱动因素与立法有关,而且与使用原生纤维相比,使用回收纤维还减少了对环境的影响。随着世界各国政府采取行动减少垃圾填埋,通过填埋方式对碳纤维废弃物的处理受到了越来越严厉的监管和成本制约。诸如欧洲报废汽车指令等法规,也为报废产品设定了回收和再利用目标。回收的碳纤维可以帮助复合材料行业减少填埋的垃圾,提高再利用水平。


由回收碳纤维、原生纤维和铝带来的温室气体排放

与原生纤维相比,回收碳纤维显著降低了令全球变暖的潜力(图片来自弗劳恩霍夫UMSICHT)

回收纤维还改善了碳纤维复合材料部件的生命周期评价。弗劳恩霍夫环境、安全和能源技术研究院(简称“UMSICHT”)对ELG的回收碳纤维所作的生命周期分析表明,与原生碳纤维相比,回收碳纤维显著降低了令全球变暖的潜力。能源密集型的生产阶段是其中的一个重要因素:根据这项分析,只需采用生产原生纤维所需能源的不到10%,就可令碳纤维废弃物得到回收并转化为新的产品。这项研究确定出生产原生碳纤维的温室气体排放总量是:每生产1t碳纤维,将排放29.45t的CO2,相比之下,采用回收纤维生产1t再生碳纤维的CO2排放量是4.65t。此外,每生产1t再生碳纤维排放的温室气体要比生产原铝(8.2 t)排放的少,而且回收铝和回收碳纤维有非常相似的全球变暖足迹。自2015年开展研究以来,ELG已进一步将碳纤维生产中的能耗降低了30%,并计划在2019年再次降低能耗。随着在扩建项目中实施规模经济以及对工艺设计的改进,回收碳纤维的优势有望进一步提高,由回收碳纤维制成的产品也能得到回收。

随着生命周期评价在材料选择中变得日益重要,对回收碳纤维的应用(即使与原生纤维结合使用)为“从金属向复合材料的转变”提供了强有力的论据。比如在汽车应用中,对回收碳纤维的整合可以显著缩短“盈亏平衡”过程,复合材料设计开始提供比钢更好的生命周期评价。

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