华盛顿大学实现碳纤维复合材料的再循环

发布时间：2017/7/14 0:04:08

据外媒报道，美国华盛顿州立大学（WSU）机械与材料工程学院（School of Mechanical and Materials Engineering）的教授Jinwen Zhang与他的团队首次研发了碳纤维塑料的再循环方法，其采用弱酸在低温条件下对碳纤维复合材料进行化学分解，以便日后的循环再利用。

随着汽车轻量化的发展，兼具轻量化、安全性、舒适度和可靠性等优异性能的碳纤维复合材料（也译作为“碳纤维强化塑料”，Carbon fiber reinforced plastics）的使用正呈现上升趋势，然而，这类材料却并非没有瑕疵，该材质往往难以分解或循环再利用，使人们逐渐开始关注对该材料的回收处理。该材质与热塑性塑料不同（thermoplastics），无法轻易实现固化、分解并还原为初始的原材料。

业内常用的处理方式弊端多

为实现碳纤维复合材料的循环再利用，大多数情况下，研究人员会采用机械设备将该材料磨碎，或利用超高温度使其发生分解，抑或是在严苛的化学条件，将其还原为昂贵的碳纤维材料。

然而，在采用上述工艺后，碳纤维通常会受损，且残存的化学物质往往具有腐蚀性，会对人体造成危害。更糟糕的时，难以实现废弃物的妥善处理。此外，若采用上述处理方式，会对该材料所含的树脂基材料（matrix resin material）造成破坏，生成各类化学物质，由于难以清除赶紧，进而加大了废弃物的处理难度。

多种弱酸+液态乙醇+低温操作

Jinwen Zhang教授与他的团队为解决碳纤维复合材料的循环再利用问题，他们研发并采用了一种新的化学回收法：他们将多种弱酸（mild acids）作为催化剂，将其添加到液态乙醇中，在低温条件下发生化学反应，使得该类热固性材料（thermosets）被分解。值得一提的是，他们在试验中采用了结合使用了多种化学品。

为提高固化材料的分解速率，研究人员提升了材料温度，使含有催化剂的液体得以渗入到复合材料中，进而实现碳纤维复合材料的化学分解。Zhang采用乙醇液体，使树脂体积发生膨胀，随后又用氯化锌分解碳氮键（carbon-nitrogen bonds），这一步可谓至关重要。

他表示：“该回收方法的关键在于研发高效的催化体系（catalytic system），使其能够渗透到固化后的树脂中，进而使固化树脂的化学键被分解。”

该研究团队还研发了一套高效的方法，妥善保存碳纤维与树脂，以便以后再利用上述材料。目前，该团队已为其技术申请专利，并致力于推动该技术的商业化运作。

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