1 引言

多年來，材料科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展促進(jìn)了新型材料的有效發(fā)展，在許多工程應(yīng)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(fù)合材料。能夠用于開發(fā)復(fù)合材料的原材料有聚合物、金屬和陶瓷等。在所有復(fù)合材料種類中，聚合物復(fù)合材料由于它們的高強(qiáng)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(yīng)用于滿飛機(jī)和汽車行業(yè)。這些聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)體主要有碳纖維（CF）和玻璃纖維（GF）兩種。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)由超過50%的復(fù)合材料組成主要以碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）和玻璃纖維增強(qiáng)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(fù)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(fù)合材料。FML是另一類包含CFRP的復(fù)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(dǎo)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(guó)供應(yīng)鏈復(fù)合材料廢物報(bào)告，幾乎98%的復(fù)合材料廢物和報(bào)廢（EOL）成分埋在垃圾填埋場(chǎng)內(nèi)。絕大多數(shù)國(guó)家主要依靠傳統(tǒng)垃圾處理廢物，如焚燒和填埋復(fù)合廢物，纖維增強(qiáng)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(fù)合材料的能量含量。研究表明，通過碳纖維增強(qiáng)塑料廢物的四級(jí)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(dǎo)致不同的地下水問題。一些歐洲國(guó)家正在禁止使用垃圾填埋場(chǎng)，并計(jì)劃到2030年將城市垃圾減少10%。此外，歐盟委員會(huì)對(duì)建筑垃圾、車輛和材料的廢物管理制定了嚴(yán)格的法規(guī)，迫使復(fù)合材料消費(fèi)行業(yè)探索新型高效的廢料回收方式。從生態(tài)保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展看，不同處理復(fù)合材料廢物的方法如圖1所示。

圖1：不同處理復(fù)合材料廢物生態(tài)友好、經(jīng)濟(jì)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(zhuǎn)化為產(chǎn)品、材料或成分需要的過程。循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(fù)制造、再利用和再循環(huán)的方式。當(dāng)代世界，相關(guān)行業(yè)可以通過設(shè)計(jì)閉環(huán)循環(huán)方式發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)。此外，由于復(fù)合材料的導(dǎo)電性，其有效物理特性便于轉(zhuǎn)換回收。總之循環(huán)經(jīng)濟(jì)不僅有助于消除有毒物質(zhì)和廢物，還能促進(jìn)開發(fā)出具有適當(dāng)機(jī)械性能的產(chǎn)品。

在21世紀(jì)，全球?qū)酆衔飶?fù)合材料的需求在不同的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中呈指數(shù)增長(zhǎng)，這也表示對(duì)聚合物復(fù)合材料廢物處理將面臨巨大的挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，不同聚合物的數(shù)量和消費(fèi)呈指數(shù)增長(zhǎng)，CFs的全球產(chǎn)量約為每年350000噸。此外，據(jù)估計(jì)，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(jì)，這也有助于更好地利用EOL復(fù)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(fù)合材料中的其他天然生物聚合物是另一種減少聚合物復(fù)合廢物的另一個(gè)有效方法。這些復(fù)合材料同樣具有客觀的機(jī)械性能，可以適用于許多制造業(yè)領(lǐng)域。此外，這些復(fù)合材料很容易降解，對(duì)環(huán)境沒有有害影響。然而，這些復(fù)合材料由于吸濕性不能用于飛機(jī)、風(fēng)電等部件制造，相反，采用CFRP和GFRP的聚合物復(fù)合材料被廣泛用于飛機(jī)、風(fēng)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(fù)合材料的回收技術(shù)，但只有少數(shù)人提到基體聚合物復(fù)合材料中熱固性樹脂的回收方法。此外，關(guān)于聚合物復(fù)合材料回收技術(shù)，特別是在計(jì)算每個(gè)回收過程中的能量需求方面也沒有詳細(xì)闡述的文獻(xiàn)，只有不同回收技術(shù)的一般概述。

這篇綜述旨在通過確定每個(gè)循環(huán)過程全面闡述當(dāng)前聚合物復(fù)合材料回收技術(shù)、應(yīng)用和未來面臨的挑戰(zhàn)。例如，在機(jī)械回收中熱量需求量主要通過使用Wittmann MAS1工業(yè)造粒機(jī)進(jìn)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(duì)使用化學(xué)品以及化學(xué)回收方面的研究，將有助于建立一個(gè)關(guān)于聚合物復(fù)合材料，提供關(guān)于回收過程的處理路線。最后，本文總結(jié)了通過將復(fù)合材料轉(zhuǎn)化為再生聚合物基質(zhì)，制造廢物和EOL復(fù)合材料回收纖維，以及再制造復(fù)合材料的方法。

2 回收技術(shù)

回收技術(shù)不僅對(duì)復(fù)合廢物管理來說有價(jià)值，也為循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)技術(shù)增加價(jià)值。聯(lián)合國(guó)于2015年制定的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDG）是全世界的重要目標(biāo)。回收技術(shù)有可能實(shí)現(xiàn)某些可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。例如，回收技術(shù)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(huì)幫助實(shí)現(xiàn)一些可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)（如圖2），如（目標(biāo)6：清潔水和衛(wèi)生），（目標(biāo)13：氣候行動(dòng)）和（目標(biāo)15：陸地生活）。此外，回收技術(shù)為循環(huán)經(jīng)濟(jì)模型。與線性經(jīng)濟(jì)模型相比，循環(huán)經(jīng)濟(jì)模型可為廢物預(yù)防、資源效率和可持續(xù)材料技術(shù)使用。回收聚合物復(fù)合材料有助于實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)模型，如圖3所示。纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRPC）的再循環(huán)通常通過機(jī)械、熱力和化學(xué)方法。根據(jù)對(duì)以往文獻(xiàn)的研究可知，機(jī)械方法的能耗最低，熱回收方法能耗始終，而化學(xué)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(duì)聚合物復(fù)合材料的回收和再利用可以實(shí)現(xiàn)的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)

圖3：聚合物復(fù)合材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)模型

由于相關(guān)研究較少，回收技術(shù)仍缺乏實(shí)用性。有時(shí)，回收過程與機(jī)械、熱力和化學(xué)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(shù)。

EOL復(fù)合材料廢物在全球范圍內(nèi)的一個(gè)真正問題在于難以為下一代應(yīng)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(shù)已被開發(fā)用于復(fù)合材料的回收利用，特別關(guān)注不同的聚合物基體的纖維復(fù)合材料。關(guān)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(dǎo)致其機(jī)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(fù)回收纖維的強(qiáng)度和回收過程中消耗的能量。此外，為了使復(fù)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(fù)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(rèn)為重復(fù)使用碳纖維是減少碳纖維復(fù)合材料浪費(fèi)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(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)翻譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。