在汽车制造中使用碳纤维的技术还处于初期阶段,但是2015年,价值3.16亿英镑的材料投入到垃圾场之后,对回收利用的探索已经势在必行
欧盟(EU)报废车辆指令规定,一辆新车中85%地材料必须是再生材料。碳纤维比较昂贵,根据生命周期评估(LCA),碳纤维的生产对环境的影响要比钢铁和铝大。金属的再循环路线已经相当成熟,而碳纤维的再循环只是刚刚起步。
2015年,全球共产生18,000吨的碳纤维垃圾,其中大约有1,600吨用来再循环。那一年,大约3.16亿英镑的碳纤维都被送到了垃圾场。
这是一种巨大的浪费,同时也失去了良机。再循环碳纤维几乎是原纤维的半价,对全球变暖的危害要低得多,而机械性能却几乎相当。
碳纤维再循环专家ELG Carbon Fiber公司常务董事Frazer Barner说:“如果碳纤维想要在汽车业的轻质路线上广泛使用,就要求碳纤维的成本每磅5-7美元。虽然在低成本碳纤维方面有很多规划,但事实上,只有再循环碳纤维才能满足目前的要求。”
宝马公司是目前唯一使用碳纤维增强塑料(CFRP)进行高产量生产的汽车制造商 — 这个材料在i车型上广泛使用,少量用在7系列上。这样,宝马还是目前唯一在碳纤维再生中使用闭合回路的汽车,再生二次纤维的使用方法有3中。
在今年的JEC World会议上,宝马汽车概念项目经理Stephan Huber说:“很多人认为可持续性和碳纤维并不合拍,但是宝马认为这两者可以放在一起,这里没有矛盾。”
宝马公司从美国华盛顿摩西湖的SGL Automotive Carbon Fibers(ACF,与碳纤维制造商SGL集团的合资公司)采购碳纤维。这些碳纤维(完全是通过水力发电生产)被塞到粗纱或粗纤维当中卷上,然后送到ACF在德国瓦克尔斯多尔夫创业园区的第二个工厂,生成碳纤维预制品。这些预制品被运到宝马公司兰茨胡特和莱比锡的工厂。
两家工厂切割程序之后剩下的碳纤维残余物被送回ACF Wackersdorf,然后被切成小段,放入独立纤维中。
Huber继续说:“有些人称其为残余物,我们称为好材料。”
纺织机械记录这些纤维,直到这些纤维拧到一个方向,形成一个无纺材料,然后向各个方向堆放 — 主要取决于某个组件的性能要求 — 然后再缝在一起。
这个无纺材料然后浸入到树脂中,尤其适合平整零部件的生产,比如i3的顶棚。事实上,二次材料已经占到该车碳纤维的10%。
该制造商还开发了一种将二次纤维融合到模塑料板(SMC)的方法,这个材料应用于7系列的结构构件中。
此外,或许可以说是最重要的,宝马公司将要在热塑性颗粒中使用二次纤维进行注塑,而且开始在其他品牌车辆两不见的制造中采用这种材料 — 比如目前Mini Clubman里的中控载体。
这个零部件之前使用高分子增强玻璃纤维,占到大约30%的重量。与热塑性材料专家Akro-Plastic公司,以及内饰制造商Grammer合作,载体现在由PA增强和i车型残余碳纤维制造而成,占到10%的重量。这个零部件比玻璃增强纤维的重量轻15%,而且还更加强韧。重要的是,零部件可以使用相同的注模设备制造,而且价格也相同 — 据Huber,这是双赢。
宝马能够使用各种热塑性树脂生产这些颗粒,而且计划在消音器、发动机罩、离合器踏板和轴承座的生产中应用。
Huber总结说:“这只是开端。我们今年以及将来生产所有的二次纤维组件。”
碳纤维再循环与树脂结合对干纤维的循环使用来说是一个巨大的挑战。大部分使用热固性材料制造的碳纤维增强塑料(比如环氧基树脂)无法融化或再塑形。
ELG Carbon纤维是很多使用热解工艺循环生产浸染摊位的公司之一。在英国的工厂里,公司通过分类和切割,将CFRP废弃物在一个惰性气体中加热到400-600摄氏度,把树脂烧掉。ELG公司称,公司的专利技术能够产生清洁的碳纤维。
公司利用这些纤维开发了很多适合汽车应用的产品:短纤维产品;可以独立使用或与原碳纤维使用的无纺毡,适合生产阀盖、车厢盖、后挡板、备胎坑和结构材料;融合再循环碳纤维和热塑性纤维制造无纺毡,通过压模生产内饰组件。
Barnes说:“在同比产品中,比如注塑组件或无纺毡,性能相同,但是纤维成为通常会低40%。与其他的碳纤维相比,比如单向预浸料,性能肯定不同 — 重要因素就是将正确的材料放在正确的地方。”
2015年,ELG生产了1040吨的碳纤维产品。这些材料曾经在Gordon Murray Design的CFRP-增强 iSTREAM CARBON底盘中使用,应用在Yamaha两座Sports Ride概念车上,在2015年东京车展中展出。
Barnes继续说:“(使用再循环碳纤维)最大的阻碍,和其他新材料一样,就是建立测试数据,并在原型中展示性能。我们已经成立了很多项目来解决这个问题,而且我们一斤更有了足够的信息,可以在新生产计划中进行选择。”
ELG正在计划建立两个工厂 — 一个在德国,一个在美国。
热解法在循环利用CFRP制造废物中可行,但是这个工艺也有问题;这是能源密集型的,会将碳参与留在碳纤维的表面,阻碍进一步加工。报废材料的在循环利用也存在问题。
或许从长期来看,方法就是从一开始就把CRFP以再循环来进行设计。
热塑性塑料能够重新溶解并塑形,这种材料的使用一定会增长。此外,Georgia Institute of Technology(GT)的研究人员发现,玻璃离子为基础的环氧树脂可以在高温中溶于乙二醇。
GT公司博士后研究生Kai Yu说:“玻璃橱窗含有动态连接,能够改变结构,在任何条件下都不会失去网络完整性。我们让乙二醇(小分子)参与改变反应的网络,有效溶于玻璃离子。”
一旦溶解,未损坏的碳纤维能够重新利用,而乙二醇就会蒸发,环氧基树脂可以再塑形。项目首席研究员Jerry Qi教授说:“玻璃离子为基础的热固性聚合物是一种新的聚合物,近些年非常受青睐。我们希望,学术界基础研究能够加快这些材料在行业中的广泛应用。”
GT开发的类似的再循环方法目前由Connora Technologies Inc采用。
Connora说,使用聚胺基Recyclamine固化剂制造的复合物可以完全再循环:环氧基体和增强材料可以分离,恢复并再使用,再循环流程时的能量溶液法。增强材料使用这种工艺可以恢复,呈现出原材料性能。
2014年1月,Connora和Adesso Advanced Materials宣布正式合作,加快Recyclamine技术的传播。Adesso的技术与Connora的技术非常相似。
中国公司的环氧树脂(Recycloset系列)和Cleavamine可降解固化剂能通过使用一种溶剂从增强塑料中溶解出来。这可以在大气压下,以120-160摄氏度就能完成。
在合作典礼上,Connora公司首席技术官Stefan Pastine说:“在问题(热固性复合材料废料再循环)出现之初,Connora和Adesso公司都意识到,一个公司根本无法独立解决。我们不仅需要开发单一技术活化学过程,而且还要一个完整的生态系统伙伴愿意建造一个热固性循环新行业。”