从航空航天工业碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的回收来看热塑性碳纤维的可回收性

　　随着航空航天工业对轻量化、高性能材料需求的增长，碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料在飞机制造业中的应用日渐广泛。据统计，碳纤维的需求年增长率高达15%，预计到2020年将超过供应量，凸显出资源可持续利用的重要性。然而，与金属材料相比，CF复合材料的生产和使用寿命终结后产生的废弃物，面临着有限的回收再利用途径，往往只能填埋处理，不仅浪费资源，还增加了制造商的成本负担。现如今的碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料可回收性又怎么样呢？

　　图1：碳纤维增强聚醚醚酮航空件

　　科学家们展开了对CF/PEEK复合材料废弃物回收再利用的研究，以期发掘其内在价值，实现经济效益和环境保护的双重目标。过去的研究尝试了化学分解和热降解等方法分离碳纤维和树脂，但这些方法通常伴随着高昂的能耗、化学品消耗以及可能加重碳足迹等问题，因此寻找更为经济可行、绿色低碳的解决方案势在必行。

　　本文我们由国内完成碳纤维增强聚醚醚酮复合材料厂家智上新材给大家带来关于热塑性碳纤维的可回收性。我们从航空航天工业碳纤维增强聚醚醚酮复合材料的回收研究来看热塑性碳纤维复材的可回收性。通过Hui Li和Karl Englund主导的研究，成功地将CF/PEEK工业切割边角料转化为新的高性能复合产品。

　　首先，对原始CF/PEEK复合材料进行了全面的热力学表征，包括动态热机械分析、差示扫描量热分析和热重分析，确保了解材料的基本性能特征。接着，研究者利用熔融粘接技术和热固性胶黏剂将CF/PEEK废料重新粘合成一体，并通过双剪切测试来评估粘接质量。

　　图二：温度和时间数据

　　通过相对应的研究树脂中看，将CF/PEEK废料裁切成特定尺寸的样本条，进行双剪切强度测试。实验参数包括不同温度(380°C、390°C和400°C)和时间(3、5、10和20分钟)下的熔融粘结。此外，还测试了不同类型的热固性胶粘剂对粘结性能的影响，包括带有催化剂的mdi胶和层压环氧树脂。

　　研究中通过DSC分析监控材料的热行为，通过TGA分析测量材料的热稳定性，以及通过DMA技术分析pMDI胶粘剂(带或不带催化剂)的固化行为。实验还涉及了LFT-D工艺下的热塑性复合材料热压成型，并制备了带有连续纤维增强层的三明治结构样品，以便研究其微观力学性能和增强架构对复合材料力学响应的影响。

　　在CF/PEEK废料处理阶段，通过锤磨等方式进行机械细化，然后将细化后的材料高温压制形成面板复合材料。研究确定了粒子尺寸和加工温度对最终产品力学性能的具体影响，并成功实现了优化条件下的高品质复合材料再生制品。通过后热成型工艺，提高了再生复合材料的实用性和市场价值，其中一些复杂的内部网格结构仅能通过LFT-D技术实现，进一步证明了这种回收工艺的先进性和潜力。

　　图三：回收后的成型产品性能

　　我们在看到整个的研究数据中，明显能够看到随着颗粒尺寸减小，复合材料的力学性能得到提升，最优的粉碎粒度条件为390°C和16分钟。后续在对回收后的材料进行应用，制造出平面板材等后热成型处理，通过这样的方式，从而很好的完成该材料在应用后再次回收应用的闭合循环利用和实际零件或组件制造的可能性，证实了该回收过程及产品的巨大潜力。

　　为进一步优化再生复合材料的性能，研究团队将CF/PEEK废料精细化处理成一系列元素尺寸，然后在高温高压条件下进行热压成型，制成面板状复合材料。研究发现，元素尺寸大小和加工温度对复合材料力学性能具有显著影响。进行数据分析，直观的实验数据表示中，最佳的粉碎粒度为小于4.7毫米，且在390℃下热压16分钟可获得最优的力学性能。

　　在后期的“后成型”环节中，代表性的再生复合材料面板经过了进一步的高级机器人装配系统处理，通过热成型工艺转化成了三维部件，其抗弯性能相较于未热成型前有了明显改善，尤其是在挠曲强度上表现出了统计学意义上的显著差异。这意味着通过合理的热压和热成型工艺，可以从CF/PEEK废料中创造出具有较高附加值的新一代复合材料产品。

　　图4：智上新材的CFPEEK单向带

　　成功完成CFPEEK材料的可回收，预示着该材料将会实现轻量化的同时兼顾可回收性。值得注意的是，相比于传统的热固性CFRP，CF/PEEK这样的热塑性复合材料因其更快的加工速度、更高的韧性、几乎无限的储存寿命以及更好的可回收性，正逐渐成为行业关注的焦点。尤其在汽车行业中，出于节能减排和应对严格的排放标准，越来越多的制造商开始转向采用热塑性CFRP，以实现轻量化的同时兼顾可回收性。智上新材作为国内完成CF/PEEK复材量产的厂家，也在积极的完善后续热塑性复材制品的可回收性进程，跟相关落地领域客户进行对接，更好的推动该高性能材料走向更美好的明天。

　　在这项研究中的科研人员，借此重新开发出一套创造价值型复合材料的回收流程，将CF/PEEK废料最大化地转化为具有优异性能的新产品。这一研究成果不仅揭示了CF/PEEK复合材料废弃物在实际操作层面的高价值再利用途径，也有力推动了航空航天乃至汽车制造业对复合材料循环经济的发展，为构建更加可持续的未来材料供应链打下了坚实的基础。通过不断的科技创新和工艺优化，碳纤维复合材料废弃物的回收利用率有望得到显著提升，真正实现“从摇篮到摇篮”的绿色循环生产模式。也对于热塑性碳纤维复材的可回收性，给到强有力的佐证。

　　本文的技术数据来自于：Journal of Composite Materials