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  隨著碳中和政策的持續(xù)推進(jìn)，航空航天、汽車工業(yè)、風(fēng)電葉片等行業(yè)對(duì)于碳纖維復(fù)合材料的需求量也與日俱增。而碳纖維復(fù)合材料多采用熱固性聚合物（環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯、酚醛樹(shù)脂等）作為基體樹(shù)脂，其固化成型后形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，無(wú)法再次模塑或加工，難以處理。隨著碳纖維復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，各行業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄碳纖維成為阻礙碳纖維應(yīng)用和發(fā)展的重要問(wèn)題，開(kāi)發(fā)低成本、綠色化廢棄碳纖維復(fù)合材料回收及再利用技術(shù)刻不容緩。

圖1. 碳纖維復(fù)合材料閉環(huán)回收再利用示意圖

  再生碳纖維作為復(fù)合材料廢棄物中最具價(jià)值的回收產(chǎn)物，與原始碳纖維相比具有較高的強(qiáng)度、模量保留率且成本低廉，但是通常呈現(xiàn)為短切蓬松不連續(xù)的狀態(tài)，導(dǎo)致其很難再次加工成型為高性能復(fù)合材料，大大限制了其再利用價(jià)值。北京化工大學(xué)賈曉龍教授、楊小平教授團(tuán)隊(duì)從2014年開(kāi)始致力于探究再生碳纖維高效、高值化再利用技術(shù)，經(jīng)過(guò)多年的研究，成功開(kāi)發(fā)了流場(chǎng)分散、取向的新方法并形成了中試級(jí)別的工業(yè)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了再生碳纖維取向氈的規(guī)模化連續(xù)制備。此外，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)合理利用再生碳纖維優(yōu)異的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)-功能一體化再生碳纖維復(fù)合材料，進(jìn)一步提高了其再利用價(jià)值。前期，該研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)再生碳纖維表面改性實(shí)現(xiàn)其流場(chǎng)分散和與樹(shù)脂界面結(jié)合性能的協(xié)同改善，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料機(jī)械性能的大幅提升，并初步探索了其在電磁屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987）。

  近期，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了基于磷酸分解和流場(chǎng)取向的碳纖維高效閉環(huán)回收再利用方法，高度取向結(jié)構(gòu)賦予再生碳纖維氈各向異性及結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，實(shí)現(xiàn)了再生碳纖維復(fù)合材料高性能化。采用磷酸分解復(fù)合材料廢料可以得到樹(shù)脂降解物以及性能保留率很好的再生碳纖維。此外，磷酸分解液經(jīng)CH2Cl2萃取去除分解的有機(jī)產(chǎn)物后仍具有良好的分解效果，證明了該方法的可循環(huán)性。得到的再生碳纖維首先被均勻分散在分散液中，然后分散液利用自重通過(guò)狹縫，在此過(guò)程中流場(chǎng)剪切作用對(duì)其進(jìn)行取向排列，后續(xù)進(jìn)行抽濾和烘干實(shí)現(xiàn)再生碳纖維取向氈連續(xù)規(guī)模化制備。

圖2. 基于磷酸分解和流場(chǎng)取向的碳纖維高效閉環(huán)回收再利用方法

圖3. 再生碳纖維取向原理及100m長(zhǎng)的取向氈

  通過(guò)自重狹縫流場(chǎng)取向法制備得到的再生碳纖維取向氈長(zhǎng)度連續(xù)，寬度可達(dá)30-1000mm，平均取向度超過(guò)80%，此外，再生碳纖維表面相對(duì)清潔，沒(méi)有過(guò)多的分散劑殘留。

圖4. 取向結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響

  高度取向的再生碳纖維不僅可以大大增加復(fù)合材料中纖維的體積分?jǐn)?shù)，而且可以充分發(fā)揮纖維的各向異性特性有助于復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。復(fù)合材料的拉伸和彎曲測(cè)試表明，取向氈合理的鋪層設(shè)計(jì)有利于復(fù)合材料面內(nèi)和層間更均勻的應(yīng)力傳遞，從而提升再生碳纖維復(fù)合材料的機(jī)械性能。

  此外，取向結(jié)構(gòu)對(duì)于再生碳纖維復(fù)合材料的電性能也有較大影響，沿纖維方向的導(dǎo)電率大幅提升，使得設(shè)計(jì)再生碳纖維取向氈鋪層結(jié)構(gòu)以強(qiáng)化復(fù)合材料電磁屏蔽性能成為可能。

圖5. 取向結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的電磁屏蔽性能影響

  這種規(guī)模化流場(chǎng)取向方法不僅將短切蓬松不連續(xù)的再生碳纖維轉(zhuǎn)化為規(guī)則有序的連續(xù)取向氈增強(qiáng)體，還可以利用其各向異性對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)再生碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-功能一體化提升，大大提高了再生碳纖維的再利用價(jià)值，對(duì)于碳纖維復(fù)合材料高效回收再利用具有重要的工程意義。

  以上研究成果以“Phosphoric acid derived efficient reclaimation of carbon fibre for re-manufacturing high performance epoxy composites reinforced by highly-aligned mat with optimized layup”為題，受邀發(fā)表于Composites Part B: Engineering回收利用專刊（Composites recycling）上。北京化工大學(xué)還獻(xiàn)華博士和吳天宇博士為論文共同第一作者，通訊作者為北京化工大學(xué)賈曉龍教授。

  該研究受到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科學(xué)基金（No. 2192044）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（No. XK1802-2）、2019年北京化工大學(xué)青年英才計(jì)劃、有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）等項(xiàng)目資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108656