欧洲复合材料循环利用态势_叶轶.pdf

玻璃纤维2023 年 第 2 期 46视 窗欧洲复合材料循环利用态势复合材料（纤维增强聚合物复合材料）是耐用的工程材料，具有长寿命、高强度、优异的耐化学性和耐热性以及设计自由度。过去几十年来，由于一些重要行业寻求新的材料解决方案来实现气候中和，对复合材料的需求一直在增长。据欧洲复合材料行业协会（简称EuCIA）介绍，2021年全球复合材料市场达到370亿美元或1200万吨，预计2021年至2026年间每年增长5%。过去10年间，欧洲复合材料市场增长了近25%，2021年达到近300万吨。碳纤维增强聚合物（CFRP）的市场达到原来的近三倍，但玻璃纤维增强聚合物（GFRP）仍然是主流材料，市场份额为95%。随着欧洲实施新的政策措施以促进可再生能源的发展，减少能耗和开发用于各行业的轻质耐用解决方案，这一趋势还将加快。随着复合材料使用量的增加，复合材料使用期满带来的挑战日益突出。尽管复合材料废弃物的数量相对较少，但随着时间的推移，其废弃物量将会增加，对符合循环经济模式的解决方案的需求将变得越来越迫切。EuCIA希望帮助行业最大程度地减少废弃复合材料的填埋或焚烧，并愿意在确定和支持循环利用解决方案方面发挥积极作用。EuCIA称，为了实现复合材料的完全循环利用，一些障碍必须由利益相关者在当局（欧洲、国家、地区和本地）的支持下解决。EuCIA已准备好与这些行为者接触，以确定一个框架，最大程度地减少欧洲的复合材料废弃物，并呼吁欧盟支持这一目标，首先对欧洲复合材料废弃物的现状进行调研，并为废弃复合材料引入具体的处置法规。当前形势复合材料不能轻易地分离成纤维和基体组分，这是这些多功能材料成功的基础，但反过来也意味着它们本身难以回收利用。复合材料耐久，能够长期耐受恶劣的化学和温度环境，是目前最强固、最有耐受力的材料之一。复合材料的退役通常取决于其制件或产品（组件）的过时或使用期满，而复合材料的固有性能仍然等于或接近原始水平。在不损失品质的情况下回收这种耐久材料会面临一些技术挑战。除了复合材料固有特性带来的技术挑战之外，其他非技术障碍也造成了这一废物流的持久性。其中包括：处置设施数量有限；需要制订在不同细分市场中收集和分类退役复合材料产品的具体方案；目前对循环利用复合材料的市场需求有限；在没有专门的废弃物法规的情况下，跨境解决方案存在障碍。虽然热固性复合材料的废弃物量（约44万吨/年）在欧盟总废弃物量中占比相对较小，不到欧盟总废弃物量的0.05%，但随着广泛使用的产品（如汽车、飞机和船艇部件）和第一代产品（如2000年至2020年期间及之前安装的风力涡轮机叶片）的预期寿命结束，这些废弃物量将随着时间而增加。据EuCIA估计，目前仍有40%70%的复合材料废弃物被填埋或者被焚烧。这一废弃物量可以减少，需要研讨如何最好地应对上述挑战并开始采取行动，因为欧盟目前的复合材料废弃物回收利用能力约为5万吨/年，仅占当前废弃物总量的5%（热固性+热塑性复合材料）。循环利用解决方案在过去十年间，行业一直致力于研发和改进复合材料循环利用的解决方案。以下是媒体报道的一些解决方案。欧洲复合材料循环利用态势DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.02.009玻璃纤维2023 年 第 2 期 47视 窗重新利用或称再利用，是把退役后的复合材料制品用于二次用途。例如，可把整个废旧风电叶片或其大部分用于其他基础设施或建筑用途，如人行桥、输电杆、户外家具等。在这种情况下，100%的复合材料（纤维和基体聚合物）被完全重复使用。这是最直接的高成本效益解决方案。Re-Wind网络是一个成立于2017年的组织，专门研究和开发退役叶片再利用的解决方案。Re Wind的第一个项目是一座5 m长的人行桥，名为BladeBridge，于2022年1月安装在爱尔兰的科克郡，将两个捐赠的13.4 m长的风轮叶片用作桥的主梁。第二个项目名为BladePole，是把整个叶片用作为公用输电杆。另一个例子是波兰回收公司Anmet，该公司以前曾多年经营金属回收，2014年转型到风轮叶片回收。其第一个复合材料回收行动是把叶片段重新用于户外家具和用作人行桥和自行车桥的主要结构元件。2021年 10月，Anmet公司在波兰安装了第一座桥梁。回收利用（1）水泥窑协同处置行业开发的一条路线是在水泥窑中协同处置废弃复合材料。把其中的玻璃纤维和填料（它们共同构成复合材料重量的约70%）用作水泥熟料的原料（替代原始原料，如砂子、粘土和石灰石），而树脂用作燃料（替代普通化石燃料）。这种方法在替代原始原料制造水泥熟料的同时还减少了能耗和二氧化碳排放。据称这种方法是玻璃纤维增强塑料（GFRP）回收利用领域中的主流方法，可实现材料和能量的双回收。此技术在欧洲已达商业化，但尚未在所有国家普及。（2）机械回收 另一种可达商业化的技术是机械回收。把废弃复合材料切碎成条或片，或研磨成细的颗粒，用作新的塑料复合材料、混凝土和其他产品的填料或增强材料。作为一例，丹麦Continuum复合材料回收公司采用一种碳中和的转化技术把风力发电机叶片、汽车、船艇等行业的废弃复合材料通过切割、碾磨、破碎、重力分离、筛分、清洁和储存等工序机械地分离成原始组分。其中，纤维（玻璃纤维、碳纤维等）被切成20mm;聚氨酯和填料被磨成1.5mm;环氧等树脂被磨成2mm。在这些工序之后，该公司把分级的再生材料与新树脂和/或其他无甲醛的添加剂配制成新的混合料，用这些混合料研制了高性能、高密度的建筑板材，用来制造外墙板、工业门、厨房台面等日常用品。该公司计划在2030年前先后在丹麦、英国、法国、德国、西班牙和土耳其建立6个工厂。该公司估计每个工厂将具有每年至少回收36000吨退役风轮叶片的能力。以上两种回收方法（水泥窑协同处置和机械回收）是技术成熟度较高，被认为是切实可行达到工业规模处置玻璃纤维复合材料废弃物的技术路线。除此以外，还有几种回收技术目前正由复合材料行业进行研究、开发或试验。例如：（3）热解一种热回收工艺，包括流化床热解法、蒸汽热解法、微波辅助热解法等。使用多种热源中的一种，在炉中对树脂和添加剂进行热分解，留下可回收和再利用的短纤维。一般说来，回收的纤维性能有所损失，但研究人员在致力改进。例如，由英国复合材料协会与挪威Aker 海上风电公司牵头，于2022年2月启动了一个为期三年的项目，旨在将斯特拉斯克莱德大学研究人员开发的热解工艺商业化。利用专利方法将玻璃纤维从树脂中分离出来，得到可重复使用的高性能短玻璃纤维，这些纤维具有原始纤维的90%的性能，可以再加工和重新模塑，用于汽车或建筑等许多应用领域。（4）溶剂分解（化学回收）欧洲复合材料循环利用态势玻璃纤维2023 年 第 2 期 48视 窗一种化学处理方法，使用溶剂或溶液来打破聚合物键，溶化树脂，使树脂与纤维分离。由丹麦维斯塔斯公司牵头的一个名为CETEC的项目于2021年5月启动，目标是开发一种基于化学的方法，用来从风轮叶片中回收环氧树脂，并转化成新的环氧树脂用于新的叶片。CETEC化学循环过程需要两个步骤。首先，引入酸性溶液，将纤维与环氧树脂分离。然后将纤维移除，供其他用途重新使用。在第二个步骤中，将第二种催化剂加入到回收的环氧树脂中，将环氧树脂分解为其原始化学组分。据介绍，这些组分基本上具有与原始材料相同的性能，可以重新组成环氧树脂，用于新的风轮叶片或其他产品。风轮叶片厂商西门子歌美飒公司于2021年 9月推出商名为RecyclableBlade的可回收叶片，它使用Aditya Birla公司的Recyclamine热塑性环氧树脂作为树脂基体。这种可回收叶片可以在产品寿命结束时完全回收叶片组成材料，使用弱酸溶液把树脂、玻璃纤维和芯材等分离，然后可通过回收利用过程把这些材料制成新产品。（5）蒸汽加压分解英国Longworth公司最初开发了从金属上清洗聚合物的加压蒸汽工艺。该工艺称为Deecom，它使用高温蒸汽和加压室的组合，在不使用任何化学物质而只使用水和蒸汽的情况下，从金属上清除聚合物。现在，该工艺已被证明可以在废弃复合材料中有效地分离树脂和纤维，从而留下高质量的纤维，并有可能再利用树脂。在充满过热蒸汽的压力容器中对废弃复合材料进行加压和卸压循环操作，Deecom工艺可轻轻地从复合材料的纤维上移除有机材料，有效地逆反纤维和基体之间的结合。根据聚合物类型，高于200C的温度会使聚合物熔化或软化，并发生一定程度的水解。当加压时，蒸汽会穿透聚合物中的裂缝，而在卸压后使聚合物沸腾，导致聚合物链立即发生物理断裂，并从外表面带走单体和低聚物以及聚合物碎片。该公司继Deecom工艺在碳纤维复合材料回收项目中取得成功后，又加入了一个新的联合体，该联合体将探索玻璃纤维复合材料的回收。这种加压分解工艺能够高产量地回收高质量、清洁、可复用的纤维，这些纤维不含残留物，具有与原始材料相似的长度和性能。然后，回收的清洁纤维将重新涂覆浸润剂进行升级改造，成为一种全新的低成本先进材料。（6）高压电脉冲碎裂一种电-机械工艺，使用电力来使基体树脂与纤维分离。挑战：技术成熟度低。性能有损失。能量回收（焚烧）焚烧可以回收和利用聚合物基体、轻木芯材等有机材料中的能量。据EuCIA引用的一份调研报告称，焚烧是一种可从废弃物燃烧热中回收能量的热工技术。热可被直接利用或者转变成电能。但纤维增强塑料废料燃烧导致的空气污染是一大缺点，对环境造成显著的负面影响。而且热能变成电能的效率只能达到35%。且纤维不能回收，造成经济损失。在玻璃纤维增强塑料的焚烧中，50%70%的残渣是矿物，作为灰烬，需要填埋。由于焚烧的成本较低，目前仍被一些人选用。（叶轶）欧洲复合材料循环利用态势