德国研究人员开发由回收碳纤维制成的带材 可用于汽车结构组件

盖世汽车讯 碳纤维增强塑料（CFRP）使用广泛，大量碳纤维废料随之产生。而目前采用的回收加工策略可能明显降低CFRP的性能，因此应用领域有限。据外媒报道，德国邓肯多夫纺织和纤维研究所（The German Institutes of Textile and Fiber Research Denkendorf，DITF）开发出由回收碳纤维（rCF）制成的高取向带材，可重新用于汽车领域结构组件等高性能应用。

已修剪边缘的“Infinity”rCF带材变体（图片来源：DITF）

目前，只有15%的CFRP废料得到回收利用，其余85%在使用寿命结束时被送往垃圾焚烧厂或填埋场。焚烧可以产生热能或电能，但回收碳纤维更有利于保护气候和资源。近年来，为了回收高质量的碳纤维，人们进一步开发了各种CFRP回收工艺，例如热解或溶剂分解。

与原生纤维相比，回收碳纤维的用途非常有限。在原生纤维产品中，碳纤维通常以技术上不受长度限制的长丝束形式存在，并沿负载方向取向。因此，碳纤维能够发挥其全部潜力，因为它在纤维方向上具有最大强度。在回收过程中，碳纤维长度会缩短到微米到厘米范围。此外，碳纤维会失去取向，最初纤维处于缠结状态。

在以往的工作中，DITF已成功地将传统纺丝工艺应用于新型纤维材料rCF。其目标是开发一种新型rCF半成品并提高其机械性能，以真正取代结构应用中的原生纤维材料。这样碳纤维基复合材料才能真正实现回收利用。

未修剪边缘的“Infinity”rCF带材变体（图片来源：DITF）

为了生产类似于原生纤维碳产品的取向半成品，消除rCF的缠结位置并使纤维彼此平行十分重要。为了实现这一目标，一种富有前景的方法是生产高度取向带。

在第一个步骤中，碳纤维被打开并与热塑性基质纤维（聚酰胺6）混合。然后，在梳理工艺（为加工碳纤维而进行改进）中，纤维混合物被进一步分离和取向。在梳理机的出口处，梳理过程中产生的纤维梳理网被组合成纤维条并沉积在罐中。该rCF/PA6纤维条是后续带材成型工艺的起始材料，并已具有碳纤维预取向。在后续的拉伸工艺中，纤维取向可以增加。通过拉伸纤维带，这些纤维沿选定方向移动并纵向对齐。最后的工艺步骤是带材成型，其中纤维带在张力下形成所需形状，然后固定成连续的带材结构。在固定过程中，热塑性纤维部分或全部熔化，接着凝固。

作为德国联邦经济事务与气候行动部（Federal Ministry of Economics and Climate Action）资助的“Infinity”研究项目（03LB3006）的一部分，DITF开发的这项技术可用于生产高取向rCF带，以展示可持续和纤维友好型CFRP回收循环。基于这些“Infinity”带材，研究人员开发了一种复合材料，其抗拉强度和抗拉模量达到同类原生纤维产品的88%。此外，生命周期分析表明，当使用热解纤维时，全球变暖潜能值降低约49%；而使用来自生产废料的rCF，全球变暖潜能值降低约66%。

这些研究结果展示了一种使用回收CFRP真正替代原生纤维CFRP的方法，从而避免将其降级为低取向材料并导致机械性能损失。