——隨著碳纖維需求的增加，rCF能否填補這一缺口？
再生碳纖維的情況很復雜！
該行業(yè)創(chuàng)建在解決問題的希望之上 —— 即希望將 碳纖維廢物從垃圾填埋場中移除，并填補碳纖維供需之間的潛在差距。通常估計約30％的碳纖維最終成為廢物。大多數(shù)分析師都認為，碳纖維這種材料的年需求量可能會在未來幾年內(nèi)超過目前的年產(chǎn)能，但同時卻有部分這種有價值的材料最終進入垃圾填埋場。根據(jù)赫氏全球纖維總裁布雷特施奈德和CarbCo nsult GmbH（德國Hofheim am Taunus）總經(jīng)理Dan Pichler在2018年12月的碳纖維會議上的估算，全球碳纖維需求每年為65,000-85,000公噸，而全球產(chǎn)能約15萬公噸。正如CW撰稿人Amanda Jacob在3月報道的那樣，一些分析師估計到2022年碳纖維需求可能會超過產(chǎn)量約24,000公噸。
雖然再生碳纖維（rCF）的商業(yè)供應商指出回收和再利用材料可以作為這種供需缺口的潛在解決方案，但rCF行業(yè)有其自身的挑戰(zhàn)。雖然回收碳纖維 復合材料的技術(shù)已存在多年，并且能夠生產(chǎn)出機械性能與原始材料非常接近的產(chǎn)品，但復合材料回收行業(yè)相對年輕，并且仍處于開發(fā)材料市場的早期階段。隨著對回收公司所生產(chǎn)的纖維質(zhì)量的信心增加，關于成本和可用性的問題已經(jīng)成為最重要的問題。對該行業(yè)而言，最大的挑戰(zhàn)可能是對供應鏈安全的擔憂。
Vartega首席執(zhí)行官安德魯·馬克西說：“技術(shù)實際上存在，而且它們已經(jīng)存在了很長一段時間，但供應鏈還沒有經(jīng)過審查?！薄叭绻麤]有合適的產(chǎn)品，你可以擁有世界上最好的技術(shù)，但你不會有材料可以回收利用，而且你也不會有任何產(chǎn)品產(chǎn)出?！?
商業(yè)供應商通常將航空航天工業(yè)視為生產(chǎn)廢料和廢棄物材料的來源，用于回收。盡管航空航天工業(yè)產(chǎn)生的廢物數(shù)量很大，但是垃圾填埋場的數(shù)量也很大，許多OEM和制造商一直不愿意將其作為大批量產(chǎn)品線的穩(wěn)定供應來源。
另一方面則呈現(xiàn)好的勢態(tài)，2018年12月波音宣布將向碳纖維回收專家ELG碳纖維有限公司（英國Coseley）供應固化和未固化的碳纖維廢料，以便回收用于其他復合材料制造應用的二次產(chǎn)品。該協(xié)議是碳纖維回收商與主要飛機OEM之間的第一個正式的材料供應關系，似乎是該行業(yè)的良好預示。
這不僅僅與環(huán)境問題有關
使用rCF的理由超越了環(huán)境可持續(xù)性，降低成本也是一個明顯優(yōu)勢。例如，ELG公司的rCF成本比工業(yè)級原生碳纖維低約40％。其他商業(yè)供應商聲稱他們的材料比原始碳纖維便宜20％到40％。此外，對于許多應用而言，需要不連續(xù)的纖維形式——這表明rCF可能提供可持續(xù)和更經(jīng)濟的替代品。
“任何行業(yè)都在使用不連續(xù)或切碎的碳纖維，再生碳纖維應該是首要考慮因素”Maxey說，“既然我們花了很大代價來生產(chǎn)連續(xù)形式的原始碳纖維，那么為什么我們還要將其切碎以放入熱塑性塑料中？如果我們已經(jīng)從廢棄物中得到不連續(xù)的碳纖維，那么在我看來，對于那些無論如何都要切碎添加的熱塑性樹脂來說這是最好的材料。”
此外，在某些情況下，生產(chǎn)的rCF質(zhì)量與原生纖維相當。使用熱解法回收碳纖維的ELG公司表示，其纖維通常保持至少90％的拉伸強度、且模量沒有變化。Vartega采用化學回收工藝，聲稱其纖維具有與原始碳纖維相同的機械性能。ShockerComposites（Wichita, Kan., U.S.）采用連續(xù)溶劑分解工藝回收纖維，聲稱質(zhì)量高，對纖維沒有明顯損害。
短切再生碳纖維
根據(jù)威奇托州立大學博士生、Shocker Composites創(chuàng)始人Vamsidhar Patolla的說法，挑戰(zhàn)在于將成本降低到與其他材料（如鋁）相當?shù)乃?。他說“可加工性需要與大批量生產(chǎn)規(guī)模相匹配”。Shocker Composites的流程提供了這一優(yōu)勢，因為它是一個內(nèi)聯(lián)流程，而不是間歇處理流程。
鑒于過去幾年在rCF加工和纖維質(zhì)量的改進，商業(yè)供應商已經(jīng)開始將注意力從rCF的降級利用？轉(zhuǎn)移到性能要求較低的產(chǎn)品和尋找適合材料特性的適當應用。
“我們永遠不會完全取代原生纖維，特別是在有高強度和剛度要求的航空航天領域，但人們開始認識到再生纖維不僅僅是具有弱勢的再生纖維，”ELG碳纖維現(xiàn)場技術(shù)服務工程師Benjamin Andrews說，“在某些應用中，它有優(yōu)于原生纖維的優(yōu)點，比如懸垂性和表面光潔度都優(yōu)于原始纖維。這不僅僅是一種循環(huán)再生材料，這是一種有其自身優(yōu)勢的材料。”
汽車應用怎么樣？
談到市場，汽車行業(yè)似乎應該擁有使用rCF的最大潛力。該材料將輕量化與良好的表面光潔度相結(jié)合的能力使其成為車身面板的自然搭配，更不用說各種內(nèi)飾部件。rCF的商業(yè)供應商長期以來一直向業(yè)界呼吁，希望得到廣泛采用，但尚未到達目標。處理時間和成本仍然是該行業(yè)的絆腳石。
美國Carbon Conversions的首席執(zhí)行官Mark Mauhar認為，考慮到已經(jīng)取得的進展，這些擔憂是一個借口，他認為任何市場采用的主要障礙實際上是風險規(guī)避問題。
他說“沒有人愿意率先采用新的材料生態(tài)系統(tǒng)?！彼€強調(diào)，汽車行業(yè)大規(guī)模采用rCF并不一定是可取的，因為rCF的供應量有限，十幾個主要汽車平臺的使用可能會迅速消耗全球供應的rCF。他說，這種方法應該以利基項目為目標，反過來，從商業(yè)角度來看，這將使供應鏈更加穩(wěn)健。
由Carbon Conversions的re-EvoMCF 制成的預浸料制成的汽車門板
?。–W照片| 斯科特弗朗西斯）
他說：“在特定型號的汽車上選取特定部件，有選擇的把它使用在汽車當中是最明智可行的?！?
Mauhar對汽車將成為第一個消耗大量再生碳纖維的主要市場充滿希望。他預測道，“在接下來的24個月里，我們將開始看到一些變化?！?
一般而言，復合材料以電池箱、壓力容器、板簧甚至升降門系統(tǒng)等部件的形式逐步進入汽車工業(yè)，rCF遵循相同的軌跡是有意義的。
這種壓縮模塑汽車地板使用Carbon Conversions的re-Evo MCF非織造墊
?。–W照片| 斯科特弗朗西斯）
這種利基方法的一個有趣例子是ProDrive Composites（Milton Keynes, U.K.），該公司是先進的輕質(zhì)復合材料制造商，應用范圍從汽車和賽車運動到航空航天和國防。該公司一直與謝菲爾德大學先進制造研究中心（AMRC， AMRC, Sheffield, U.K.）和ELG公司合作開發(fā)P2T工藝，該工藝采用反應性熱塑性樹脂制造可回收復合材料部件，即在熱壓罐內(nèi)，塑料單體在再生纖維、催化劑存在下原位聚合，直接制備復合材料層壓板。
使用ProDrive的P2T工藝生產(chǎn)的三級零件示例（CW照片| 斯科特弗朗西斯）
ProDrive Composites的首席工程師John McQuilliam說“我們已經(jīng)證明，可回收的復合板以效率和低成本生產(chǎn)可以適合許多行業(yè)的應用”。
該公司稱P2T允許復合材料使用三次或更多次。在初級部件的壽命終止時，纖維和樹脂可以再循環(huán)，為熱塑性次級部件（例如車身板）提供原材料。當該部件達到其使用壽命時，可將其切碎并重新制成新部件。
與此同時，Vartega正在領導一家專注于汽車行業(yè)的先進復合材料制造創(chuàng)新研究所（IACMI，美國田納西州）項目。這項為期兩年的技術(shù)合作旨在解決如何創(chuàng)制一致性的再生碳纖維熱塑性復合材料，以用于車輛輕量化應用。Maxey表示，該項目正朝著強大的數(shù)據(jù)庫方向發(fā)展，該數(shù)據(jù)庫提供了從纖維界面到成品零件性能的全面材料表征。
當然，在考慮汽車行業(yè)時，最好的選擇新興技術(shù)相關的。電動汽車，自動駕駛汽車和汽車連接方面為復合材料可能發(fā)揮重要作用的領域，可以帶來新的零件和應用機會。
Maxey提供了他對汽車行業(yè)發(fā)展方向的評估：“過去幾年汽車行業(yè)已經(jīng)發(fā)生了很多事情，其重點將從燃油經(jīng)濟性轉(zhuǎn)向其他優(yōu)先事項，具體取決于法規(guī)是什么，以及政府怎么說”他說：“我們沒有看到輕量化的任何重大回調(diào)，但也許它的動力在不斷發(fā)展。我認為你在行業(yè)中看到的是移動應用的輕量化。”
這款由Gordon Murray Design，F(xiàn)ormaplex和TVR開發(fā)的輕質(zhì)Griffin跑車車身面板原型結(jié)合了ELG Carbiso-M再生碳纖維，編織碳纖維織物和樹脂灌注（CW照片| 斯科特弗朗西斯）
航空航天能否進行閉環(huán)？
航空航天工業(yè)產(chǎn)生的碳纖維廢物最多，商業(yè)rCF供應商經(jīng)常將航空航天業(yè)視為回收利用的來源。收集過量材料，通常是未固化的熱固性復合預浸料，并通過加熱（熱解）或化學溶劑（溶劑分解）除去樹脂，得到的纖維經(jīng)過研磨，切碎或造粒。
隨著行業(yè)越來越多地使用熱塑性復合材料（TPC），該材料呈現(xiàn)出一系列新的回收機會。由于熱塑性聚合物可以重新熔化和再成型，因此航空航天工業(yè)有更多的機會將其自身的一些廢料重新吸收到二次應用中，可能會重復使用纖維和基質(zhì)。Thomas de Bruijn，熱塑性復合材料應用中心（Tpac，Enschede，Netherlands）的研究員，這是一個與熱塑性研究中心（Tpc，Enschede，Netherlands）在應用研究層面合作的熱塑性復合材料研發(fā)中心，他指出了在工業(yè)領域的努力。我們正在進行內(nèi)部回收利用。
他說，“從可行性的角度來看，對于熱塑性復合材料，內(nèi)部回收方法更有意義”。
德布魯因認為，飛機制造商更可能在內(nèi)部回收，而不是轉(zhuǎn)向rCF的商業(yè)供應商。其主要原因是可追溯性。當供應轉(zhuǎn)移到外部時，將聚合物類型匹配到給定的應用變得更加困難。
GKN Fokker（荷蘭Hoogeveen）的工程壓力專家Johan Meuzelaar 認為，答案是嘗試在您自己的生產(chǎn)環(huán)境中盡可能多地找到應用?！叭绻铱匆幌挛覀冇迷疾牧现圃斓臒崴苄运芰喜考念愋停渲杏泻芏嗖考梢曰厥绽?，”他說?！拔覀儺斎豢梢韵牡粑覀冋诋a(chǎn)生的大量廢物?！?
“我們已經(jīng)擁有這些設施，”TPRC的熱塑性復合材料工程師Guillaume Vincent補充道。他解釋說，回收內(nèi)部適合正常的流程鏈，并且大部分設備已經(jīng)到位，使其成為最經(jīng)濟實惠的途徑?！八m合我們在正常生產(chǎn)環(huán)境中的活動。”
TPC循環(huán)回收路線（來源| TPRC，TPAC）
De Bruijn，Vincent和Meuzelaar參與了由TPAC和TPRC運營的TPC-Cycle項目。該項目旨在重復利用廢料加工生產(chǎn)熱塑性復合材料，用于航空航天和大批量應用。目標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整體環(huán)境影響。TPC-Cycle具有較短的循環(huán)時間，據(jù)說可以生產(chǎn)復雜的形狀。
使用TPC-Cycle工藝開發(fā)的旋翼飛機演示器檢修面板
?。▉碓磡 TPRC，TPAC，GKNFokker）
幾個工業(yè)合作伙伴，包括GKN Fokker（荷蘭）、Toray Advanced Composites（美國）、Cato Composite Innovations（荷蘭）、荷蘭熱塑性制品和Nido Recyclingtechniek（Nijverdal，荷蘭）參與了在TPC循環(huán)項目中，代表了價值鏈中從材料、制造、設計到應用的不同環(huán)節(jié)。
根據(jù)de Bruijn的說法，TPC-Cycle項目現(xiàn)在正在研究完成成本分析和生命周期分析，以證明該過程在經(jīng)濟上是有益的。
此外，諸如clean sky 2（由歐盟的地平線2020計劃資助）等計劃正在鼓勵研發(fā)，重點是關閉航空廢料的循環(huán)。OEMs正在尋找將再生工廠廢物用于內(nèi)部零件、檢修面板、小型部件甚至機身夾和系統(tǒng)支架的潛力。
GKN Fokker項目經(jīng)理bas veldman博士正在通過clean sky 2項目下的一個熱塑性多功能機身演示器下半部分的剪輯和支架發(fā)起一個提案征集活動來培養(yǎng)這一概念。演示器開發(fā)過程中的一個重要環(huán)節(jié)是，通過使用工廠廢料制作框架夾和支架等產(chǎn)品，減少對環(huán)境的影響。演示者還旨在用焊接代替緊固件，從而節(jié)省材料、能源和成本，同時有助于減輕重量。
根據(jù)Meuzelaar的說法，GKNFokker正在調(diào)查回收技術(shù)如何成為公司未來概念機身的一部分。他說，這一概念將潛在地使用大量熱塑性復合材料，而熱塑性復合材料又可能產(chǎn)生大量廢物，可用于回收生產(chǎn)支架、配件和非結(jié)構(gòu)部件。
他說：“考慮熱塑性機身的原因是成本，我們認為這是一種成本經(jīng)濟的生產(chǎn)方法，也包括回收利用?！?
Meuzelaar說，更高的目標是在航空航天領域制造出更實惠、更可持續(xù)的產(chǎn)品。雖然熱塑性塑料的系列化生產(chǎn)正在取得進展，但這也會產(chǎn)生廢物。但他相信廢物再利用在商業(yè)上是可行的，并說低剪切混合/壓縮成型的再生碳纖維熱塑性復合材料提供了設計自由，而不是傳統(tǒng)的層壓與連續(xù)纖維。他解釋說：“你可以有很多額外的選擇來制造非常有趣的非結(jié)構(gòu)部件，比如面板、小整流罩或系統(tǒng)支架，這些通常在航空航天中會被過度設計?！?
他認為，機會主要在于中等規(guī)模和中等復雜程度的非結(jié)構(gòu)性部分，這些部分仍然是較大部件總成本的重要組成部分。
“我們不會在不久的將來用再生熱塑性塑料制造翅膀，”Meuzelaar說?！暗跈C翼內(nèi)部，我們可以制造出具有經(jīng)濟意義的零件。”
盡管如此，預測熱塑性復合材料對回收行業(yè)的影響還是有點遙不可及。
“廢物的百分比可能會減少，這可能是由于新的生產(chǎn)方法，如膠帶放置或定制的空白，這可能比我們看到的當前典型的嵌套和印章成型過程產(chǎn)生更少的浪費，”de Bruijn說“但總的來說我認為會有未來幾年和幾十年內(nèi)更多的熱塑性廢物?！?
“由于新的生產(chǎn)方法，如膠帶放置或定制坯料，廢料的百分比可能會降低，這可能產(chǎn)生的廢料比我們目前看到的典型的套料和沖壓成形工藝更少，”德布魯金說，“但總的來說，我認為在未來幾年和幾十年中會有更多的熱塑性塑料報廢?！?
盡管人們對內(nèi)部回收利用的興趣在上升，但總會有一些廢物無法利用，制造者也不愿意或無法在內(nèi)部回收利用。在這種情況下，這些材料可能由材料供應商回收。時間會告訴我們，熱塑性復合材料的增加對供應鏈意味著什么。
在增材制造領域的應用
增材制造是另一個具有rCF潛力的領域。例如，Shocker Composites將其回收的碳纖維復合成20~40%增強ABS長絲，并在辛辛那提公司（Harrison, Ohio, U.S.）的大面積添加劑制造（BAAM）3D打印工藝中成功應用。
此外，Vartega表示正在利用其碳纖維回收技術(shù)和材料開發(fā)專業(yè)知識推進用于粉末床熔融添加劑制造的聚合物原料。該公司最近獲得了國家科學基金會（NSF, Alexandria, Va., U.S.）小企業(yè)創(chuàng)新研究（SBIR）的資助，以在該地區(qū)開展研究和開發(fā)（R＆D）。
Vartega還聲稱正在開發(fā)一種工藝，使熱塑性粉末能夠用碳纖維增強，同時確保材料在紅外添加劑系統(tǒng)中產(chǎn)生功能部件。據(jù)報道，這一進展將使數(shù)字制造商充分發(fā)揮新粉末硬件平臺的潛力，以生產(chǎn)性能類似于中等批量生產(chǎn)的注塑材料的零件。
“通過提供碳纖維增強聚合物粉末，無人機和醫(yī)療修復等行業(yè)的制造商將實現(xiàn)快速，復雜和定制3D打印的優(yōu)勢，同時確保他們的材料選擇將展示他們所需的結(jié)構(gòu)完整性?！癡artega首席產(chǎn)品運營官Alice Havill說。
其他應用
與此同時，再生碳纖維可以在其他市場發(fā)揮作用的應用也在不斷涌現(xiàn)。
復合材料回收技術(shù)中心（CRTC, Port Angels, Wash., U.S.）一直在探索在各種產(chǎn)品中使用再生碳纖維，從公園長椅到高性能運動用品再到復合材料管。該公司使用Toray Composite Materials America（Tacoma, Wash., U.S.）的再生未固化預浸料和ELG的rCF。
這種建筑級交叉層壓木材（CLT）將熱改性木材與復合材料回收技術(shù)中心的再生碳纖維相結(jié)合。（來源| 綜合回收技術(shù)中心）
CRTC首席執(zhí)行官戴夫?沃爾特（Dave Walter）指出，建筑業(yè)是一個具有潛在增長潛力的領域。該公司最近根據(jù)一項正在申請專利的工藝開發(fā)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的碳纖維結(jié)合在一起。熱改性過程將糖和木質(zhì)素燒掉，提供抗腐爛和白蟻能力，然后將碳纖維條集成以增強強度。
CRTC還使用再生碳纖維制造與木飾面粘合的面板。這些面板展示了木材的美感，具有堅固，輕盈和柔韌的基材，適用于各種室內(nèi)和室外應用，如下圖所示，是2019年在西雅圖貝納羅亞大廳安裝的。
Octave 9 Raisbeck音樂中心 - Benaroya Hall（美國華盛頓州西雅圖）
?。ㄕ掌瑋 綜合回收技術(shù)中心）
對行業(yè)的改變？
大的變化往往是漸進式的，相對年輕的再生碳纖維產(chǎn)業(yè)繼續(xù)緩慢推進。雖然rCF的降級繼續(xù)進行，但對材料的看法開始發(fā)生變化。纖維質(zhì)量已得到證實，并且工藝也在不斷發(fā)展。意識到回收碳纖維的必要性很高，并且越來越多的參與者參與其中。
麥克西說：“ELG和波音的宣布是一件非常重要的事情；它有助于每個人向前推進，加速供應鏈的連接?！?
“我們在這里啟用并連接點，”他補充說，總結(jié)了這個行業(yè)?！拔覀儞碛羞@種支持技術(shù)，位于供應鏈的中間，但它確實將廢物流中的擱淺資產(chǎn)連接到下游的未滿足需求?！?
Carbon Conversions的Mark Mauhar表示，最大的變化是供應商現(xiàn)在希望成為解決方案的一部分?！皟赡昵?，我們每周都會接到供應商的多個電話，詢問如何處理廢品，但對使用這些材料沒有興趣?！薄艾F(xiàn)在，人們開始行動起來，我們終于開始看到，再生碳纖維的潛在客戶在切割成型工具、構(gòu)建原型和實體模型、解決工藝問題等方面投入了大量資源——所有這些活動雖然離商業(yè)應用還有距離。”也許它真正需要歸結(jié)為耐心。ELG碳纖維首席執(zhí)行官Detlef Drafz指出，檢查其他傳統(tǒng)材料的回收歷史是有幫助的。
他說，“50多年來，ELG為不銹鋼行業(yè)回收了原材料，對于金屬而言即使在渦輪葉片的真空爐中使用廢料也是可以接受的，因為人們認為再生金屬是一種原材料，只需經(jīng)過適當加工即可。然而這在25年前的航空航天應用中并不常見，但是，我們創(chuàng)建了一個供應鏈，以保證回收材料的性能。我們目前正在做同樣的事?！?
