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熱固性碳纖維廢棄物循環再利用技術發展簡介

Jun 19, 2021

文 / 財團法人塑膠工業技術發展中心 研發部 鄭惟升 組長 編著

碳纖維複合材料多採用熱固性聚合物(環氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂等)作為基體樹脂,其固化成型後形成三維交聯網狀結構,無法重複使用、自然分解以及回收處理,目前回收方式大多以掩埋或焚燒處理,但卻造成這些高值材料的浪費。因此,目前有許多文獻及技術專刊,發表將熱固碳纖維廢棄物回收,從中分離出高性能碳纖維,並對回收後碳纖維進行純化、界面處理以及針對樹脂調整,預期能與再生碳纖維彼此之間能夠有較好的相容效果,進一步地能夠容易應用於後段塑膠加工製程。而目前綜觀碳纖維複材回收技術可分為「物理機械法」、「化學溶劑法」、及「高溫熱解法」三類:

1. 物理機械法

    物理機械法,顧名思義,就是透過機械粉碎將廢棄複合材料縮小至更小碎片。通常,使用低速切削或破碎機便能將廢棄料尺寸减小到50–100 mm,但當廢棄複合材料均勻且沒有任何金屬成分時,部分高速銑削機能夠進一步地將尺寸减小到50µm到10 mm之間。同時,也能夠根據使用鼓風機和篩網的搭配,將廢棄料進行分類,把較高的纖維含量以及較高的樹脂含量兩者不同性質回收物進行分開蒐集。因此,採取物理機械回收的方法絕大部分是以顆粒大小作為回收之依據,但此方法由於碳纖維在過程中遭到破壞,無法得到有價值的長纖維進行加工利用。

2. 化學溶劑法

    在化學降解過程中,透過化學溶液與催化劑的搭配,可使廢棄複合材料中的聚合物溶解於化學溶液之中,同時,廢棄材料可在化學溶劑法使用之前可進行機械破碎,以增加比表面積,加速反應。除此,在這反應過程,一旦聚合物被溶解,回收的碳纖維即可被清洗,去除少量的表面殘留物。因此,使用化學溶劑的碳纖維可保留具有最大機械效能的長纖維。

3. 高溫熱解法

    熱裂解過程中,一般可區分為三種類型,分別為燃燒/焚化、高溫流體化床以及熱裂解,主要利用熱能量來分解廢棄複合材料。由於較高的工作溫度(450–700°C),一般樹脂很容易被燃燒,而留下具有經濟價值的碳纖維。通常來說,熱裂解溫度取決於廢棄複合材料中使用的樹脂類型,若不適當的溫度可能會在纖維表面留下煤焦或者導致纖維直徑變小影響強度。因此,在選擇熱裂解回收法時,必須在最佳溫度下控制樹脂分解,而不是完全燃燒廢棄複合材料。

 

表一、熱固性碳纖維廢棄物循環再利用方式

回收方式 纖維長度 纖維強度 單體保留 價格 應用
物理機械法 短/長纖維 無法保留 V 再生纖維僅做「填料」使用
化學溶劑法 短/長纖維 可保留 V 再生纖維可當「補強材」使用
高溫熱解法 短/長纖維 降低 X 再生纖維可當「補強材」使用

 

       綜合以上三種碳纖維複材回收技術,以塑膠加工角度而言,以高溫熱解法搭配化學溶劑法具有較佳競爭優勢,透過微波技術的導入,在加熱過程中具有即時加熱的特性,快速有效率地裂解樹脂基材取得再生碳纖維,之後,透過化學降解反應,進一步地有效去除碳纖維上殘留的樹脂,得到較高潔淨度的再生碳纖維。目前,塑膠中心在產業推動上,已完成上中下游供應鏈,協助上游處理、提升再生碳纖維品質並推廣再生碳纖維運用,中游整合塑膠加工製程,克服生產障礙,產出高強度再生碳纖複材,並推廣至下游運用於高強度熱塑性碳纖維產品,逐漸宣導再生碳纖維亦可取代新生料使用。