1 引言

多年來，材料科學領域的快速發(fā)展促進了新型材料的有效發(fā)展，在許多工程應用中，這些材料正在取代傳統(tǒng)的金屬材料和合金。將兩種具有不同特征的材料協(xié)同組合在一起，就形成復合材料。能夠用于開發(fā)復合材料的原材料有聚合物、金屬和陶瓷等。在所有復合材料種類中，聚合物復合材料由于它們的高強度、低重量、良好的耐腐蝕性和優(yōu)異的抗疲勞性使這些材料廣泛應用于滿飛機和汽車行業(yè)。這些聚合物復合材料的增強體主要有碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）兩種。據(jù)統(tǒng)計，飛機結構由超過50%的復合材料組成主要以碳纖維增強聚合物（CFRP）和玻璃纖維增強聚合物（GFRP）的形式存在，例如波音公司787包含約32噸這樣的復合材料。此外不同的航空公司，如空客A350、龐巴迪和EMBRAER廣泛使用纖維金屬層壓板（FML）復合材料。FML是另一類包含CFRP的復合材料（包含GFRP和金屬合金薄板）。除了合成的纖維和金屬，基體通常選用環(huán)氧樹脂。熱固性聚合物的穩(wěn)定性不受環(huán)境因素（如濕度、溫度變化）的影響，且耐腐蝕性優(yōu)異。不可避免的是，這些成分導致了產(chǎn)生更高數(shù)量的塑料垃圾，讓研究人員不得不努力去處理垃圾問題。

根據(jù)2015年英國供應鏈復合材料廢物報告，幾乎98%的復合材料廢物和報廢（EOL）成分埋在垃圾填埋場內(nèi)。絕大多數(shù)國家主要依靠傳統(tǒng)垃圾處理廢物，如焚燒和填埋復合廢物，纖維增強聚合物（FRPs）主要采用填埋方式處理。焚燒處理期間回收的能量，取決于焚燒爐的效率和復合材料的能量含量。研究表明，通過碳纖維增強塑料廢物的四級回收（焚燒）可產(chǎn)生大約30 MJ/kg的能量。這些處理方式并不環(huán)保，焚燒產(chǎn)生大量的CO₂影響環(huán)境，而填埋導致不同的地下水問題。一些歐洲國家正在禁止使用垃圾填埋場，并計劃到2030年將城市垃圾減少10%。此外，歐盟委員會對建筑垃圾、車輛和材料的廢物管理制定了嚴格的法規(guī)，迫使復合材料消費行業(yè)探索新型高效的廢料回收方式。從生態(tài)保護和可持續(xù)發(fā)展看，不同處理復合材料廢物的方法如圖1所示。

圖1：不同處理復合材料廢物生態(tài)友好、經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的方式方法

回收通常是指廢物的再利用，廢物回收或轉化為產(chǎn)品、材料或成分需要的過程。循環(huán)經(jīng)濟也稱為零廢物制造，這是一種工業(yè)系統(tǒng)，允許產(chǎn)品在制造后可以重復制造、再利用和再循環(huán)的方式。當代世界，相關行業(yè)可以通過設計閉環(huán)循環(huán)方式發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟。此外，由于復合材料的導電性，其有效物理特性便于轉換回收。總之循環(huán)經(jīng)濟不僅有助于消除有毒物質(zhì)和廢物，還能促進開發(fā)出具有適當機械性能的產(chǎn)品。

在21世紀，全球?qū)酆衔飶秃喜牧系男枨笤诓煌墓I(yè)領域應用中呈指數(shù)增長，這也表示對聚合物復合材料廢物處理將面臨巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計，不同聚合物的數(shù)量和消費呈指數(shù)增長，CFs的全球產(chǎn)量約為每年350000噸。此外，據(jù)估計，到2050年，塑料垃圾產(chǎn)生量約為250億噸。回收利用的唯一可行解決方案是通過循環(huán)經(jīng)濟，這也有助于更好地利用EOL復合材料和塑料廢物。自然資源的利用，如采用天然纖維（NF）、多糖（淀粉、面筋和纖維素），以及復合材料中的其他天然生物聚合物是另一種減少聚合物復合廢物的另一個有效方法。這些復合材料同樣具有客觀的機械性能，可以適用于許多制造業(yè)領域。此外，這些復合材料很容易降解，對環(huán)境沒有有害影響。然而，這些復合材料由于吸濕性不能用于飛機、風電等部件制造，相反，采用CFRP和GFRP的聚合物復合材料被廣泛用于飛機、風力葉片和汽車外部組件。

1.1 研究原因

盡管許多已發(fā)表的研究涉及復合材料的回收技術，但只有少數(shù)人提到基體聚合物復合材料中熱固性樹脂的回收方法。此外，關于聚合物復合材料回收技術，特別是在計算每個回收過程中的能量需求方面也沒有詳細闡述的文獻，只有不同回收技術的一般概述。

這篇綜述旨在通過確定每個循環(huán)過程全面闡述當前聚合物復合材料回收技術、應用和未來面臨的挑戰(zhàn)。例如，在機械回收中熱量需求量主要通過使用Wittmann MAS1工業(yè)造粒機進行回收來確定。在熱循環(huán)中，熱量需求量在熔爐中確定。另外，通過對使用化學品以及化學回收方面的研究，將有助于建立一個關于聚合物復合材料，提供關于回收過程的處理路線。最后，本文總結了通過將復合材料轉化為再生聚合物基質(zhì)，制造廢物和EOL復合材料回收纖維，以及再制造復合材料的方法。

2 回收技術

回收技術不僅對復合廢物管理來說有價值，也為循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)技術增加價值。聯(lián)合國于2015年制定的可持續(xù)發(fā)展目標（SDG）是全世界的重要目標。回收技術有可能實現(xiàn)某些可持續(xù)發(fā)展的目標。例如，回收技術有助于廢物的再利用，最終降低整體廢物，提供更清潔的環(huán)境。這些最終會幫助實現(xiàn)一些可持續(xù)發(fā)展的目標（如圖2），如（目標6：清潔水和衛(wèi)生），（目標13：氣候行動）和（目標15：陸地生活）。此外，回收技術為循環(huán)經(jīng)濟模型。與線性經(jīng)濟模型相比，循環(huán)經(jīng)濟模型可為廢物預防、資源效率和可持續(xù)材料技術使用。回收聚合物復合材料有助于實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟模型，如圖3所示。纖維增強聚合物復合材料（FRPC）的再循環(huán)通常通過機械、熱力和化學方法。根據(jù)對以往文獻的研究可知，機械方法的能耗最低，熱回收方法能耗始終，而化學方法能耗最高。然而，所有這些回收方法的能耗都優(yōu)于傳統(tǒng)的填埋和焚燒方法。

圖2：通過對聚合物復合材料的回收和再利用可以實現(xiàn)的可持續(xù)發(fā)展目標

圖3：聚合物復合材料循環(huán)經(jīng)濟模型

由于相關研究較少，回收技術仍缺乏實用性。有時，回收過程與機械、熱力和化學過程一樣，有不同的能量需求，例如使用不同的能量從聚合物基質(zhì)中分離GFs和CFs的回收技術。

EOL復合材料廢物在全球范圍內(nèi)的一個真正問題在于難以為下一代應用重塑熱固性基質(zhì)，這些基質(zhì)通常是不可生物降解的。各種各樣的現(xiàn)代技術已被開發(fā)用于復合材料的回收利用，特別關注不同的聚合物基體的纖維復合材料。關于熱固性聚合物與纖維的分離問題，熱固性樹脂廢料被造粒、燃燒，然后用作填料，這導致其機械和物理性能的顯著損失。熱固性基質(zhì)的燃燒可用于恢復回收纖維的強度和回收過程中消耗的能量。此外，為了使復合材料的回收工藝更可行且更具成本效益，可以回收高質(zhì)量的合成纖維和熱固性樹脂。眾多公司，如Hadeg回收有限公司、Wittmann technology GmBH、Alpha回收復合材料、Karborek、CFKValley Stade、Recycling GmbH&Co.KG和MIT-RCF可以有效回收CFRP和GFRP。此外，MIT-RCF公司認為重復使用碳纖維是減少碳纖維復合材料浪費的最佳途徑之一。回收CF的能量消耗角制造新的CF相比減少96%。

此文由中國復合材料工業(yè)協(xié)會翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請注明出處。