纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、汽車和風(fēng)能等領(lǐng)域因其高強(qiáng)度和輕量化的優(yōu)勢(shì)而廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料難以回收，限制了其循環(huán)經(jīng)濟(jì)的潛力。熱塑性樹脂基復(fù)合材料由于其可回收性，成為替代傳統(tǒng)熱固性材料的潛在選擇。本文探討了通過回收碳纖維和聚苯硫醚（PPS）制造高性能復(fù)合材料的方法，并評(píng)估了不同制造工藝對(duì)復(fù)合材料性能的影響。

循環(huán)經(jīng)濟(jì)迫在眉睫

在迅速擴(kuò)大的碳纖維市場(chǎng)中，回收碳纖維的重要性日益凸顯。在歐盟，根據(jù)《報(bào)廢車輛指令》（End-of-Life Vehicle Directive），至少 95% 的車輛重量必須被重新回收利用，其中最多10% 可用于能源生產(chǎn)。這對(duì)傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料帶來了巨大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)熱固性基體難以回收，且占比 25% 至 45%。即使將其燃燒用于能源生產(chǎn)，也無法達(dá)到 85% 的可回收性要求。

此外，碳纖維市場(chǎng)過去十年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 11.50% - 11.98%。隨著其在汽車結(jié)構(gòu)中使用量的持續(xù)增加，原生纖維或難滿足需求。市場(chǎng)渴求低成本、低能耗的碳纖維。原生碳纖維生產(chǎn)消耗 55-165 kWh/kg，成本約 33-66 美元/kg，而回收碳纖維在性能保留超 95% 的情況下，生產(chǎn)消耗僅 3-10 kWh/kg，成本 5 美元/kg。目前，多達(dá) 40% 的碳纖維廢料被填埋處理，因此，將其回收用于汽車行業(yè)的長(zhǎng)纖維復(fù)合材料具有顯著價(jià)值。

l 研究人員使用從碳纖維增強(qiáng)PPS廢料，通過模壓和注塑成型技術(shù)制備了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

l 使用 6.35 mm、#4 (4.75 mm)、#8 (2.36 mm)、#10 (2.0 mm)、#20 (0.85 mm) 和 #40 (0.425 mm) 篩網(wǎng)將回收料進(jìn)行篩分，以控制纖維長(zhǎng)度。

控制光纖長(zhǎng)度可保持性能。

本研究制備了以下幾種類型的復(fù)合材料：

粒子化合物: 使用篩分后的回收料直接壓縮成型，纖維長(zhǎng)度為 1-5 mm。

預(yù)浸料板: 使用 12.7 mm × 12.7 mm 的回收料板或混合回收料壓縮成型，纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

微粒復(fù)合材料的制造工藝。將 12.7 × 12.7 毫米的回收料和 20 號(hào)模塑化合物壓制成板，從中提取拉伸試樣。

濕法鋪層復(fù)合材料: 使用混合回收料和原生碳纖維濕法鋪層，然后壓縮成型，纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)。

濕鋪復(fù)合材料的制造工藝。濕法鋪設(shè)的預(yù)型件（a）通過模壓工藝加固成有機(jī)板（b），然后堆疊并模壓成有機(jī)板復(fù)合材料（c）。

注塑成型復(fù)合材料: 使用篩分后的回收料與 PPS 顆粒混合，然后注塑成型，纖維長(zhǎng)度較短。

注塑復(fù)合材料的制造過程。回收料（a）和商用（b）注塑化合物用于生產(chǎn)拉伸試樣（c）

l 以原生 PPS 和含有 50 wt% 碳纖維的商業(yè)注塑成型復(fù)合材料作為對(duì)照組。

l 通過掃描量熱法（DSC） 和熱重量分析法（TGA）評(píng)估了復(fù)合材料的耐熱性，并通過拉伸測(cè)試評(píng)估了其力學(xué)性能。

l 使用光學(xué)顯微鏡和掃描式電子顯微鏡（SEM） 研究了復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，以評(píng)估其均勻性。

研究結(jié)果

耐熱性: 添加碳纖維可以提高 PPS 基體的結(jié)晶度，從而提高其結(jié)晶溫度和 5% 的降解溫度。模壓成型復(fù)合材料的結(jié)晶度高于注塑成型復(fù)合材料，這與冷卻速率有關(guān)。

模壓成型樣品的熱性能及注塑成型樣品熱性能

力學(xué)性能: 粒子化合物復(fù)合材料的拉伸模量和強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的減小而降低。預(yù)浸料板復(fù)合材料在機(jī)器方向和交叉方向表現(xiàn)出各向異性，強(qiáng)度較高，但應(yīng)變率較低。濕法鋪層復(fù)合材料的纖維分散性較差，導(dǎo)致其強(qiáng)度降低。注塑成型復(fù)合材料具有更高的強(qiáng)度和模量，但纖維長(zhǎng)度較短。

光學(xué)顯微鏡觀察: 粒子化合物復(fù)合材料的孔隙率低于 1%，表明其結(jié)構(gòu)致密。預(yù)浸料板復(fù)合材料的孔隙率高于粒子化合物，這與較低的成型壓力和較長(zhǎng)的纖維長(zhǎng)度有關(guān)。濕法鋪層復(fù)合材料的孔隙率最高，這與原生碳纖維束的分散性較差有關(guān)。注塑成型復(fù)合材料的纖維分散性較好，但纖維長(zhǎng)度較短。

影響復(fù)合材料強(qiáng)度的微觀結(jié)構(gòu)特性

掃描電子顯微鏡（SEM）分析: 篩分技術(shù)可以有效降低回收復(fù)合材料的性能變異，從而獲得更一致的力學(xué)性能。例如，粒子化合物復(fù)合材料的強(qiáng)度差異小于 20%，而濕法鋪層復(fù)合材料的強(qiáng)度差異可達(dá) 50%。

模壓成型和注塑成型復(fù)合材料失效表面的SEM圖像。混合和濕鋪復(fù)合材料的局部不均勻性越來越嚴(yán)重。纖維拉出現(xiàn)象越來越普遍，表明低于臨界纖維長(zhǎng)度的纖維數(shù)量越來越多。

研究結(jié)論

l 篩分技術(shù)是一種有效的方法，可以生產(chǎn)具有特定性能的回收復(fù)合材料。

l 纖維長(zhǎng)度和分散性對(duì)回收復(fù)合材料的性能至關(guān)重要。

l 需要開發(fā)新的回收和再制造技術(shù)，以保留纖維長(zhǎng)度、對(duì)齊纖維并確保回收產(chǎn)品的均勻性。

l 發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)對(duì)于減少纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的廢物生成至關(guān)重要。

本研究表明，通過合理的回收和制造工藝，可以有效地再利用CF/PPS復(fù)合材料廢料，實(shí)現(xiàn)高性能的再生復(fù)合材料。關(guān)鍵在于控制纖維長(zhǎng)度和分散均勻性，以最大化回收材料的性能。未來的工作應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化回收和制造工藝，以實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，并推動(dòng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：