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  隨著碳中和政策的持續(xù)推進，航空航天、汽車工業(yè)、風電葉片等行業(yè)對于碳纖維復合材料的需求量也與日俱增。而碳纖維復合材料多采用熱固性聚合物（環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、酚醛樹脂等）作為基體樹脂，其固化成型后形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結構，無法再次模塑或加工，難以處理。隨著碳纖維復合材料的廣泛應用，各行業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄碳纖維成為阻礙碳纖維應用和發(fā)展的重要問題，開發(fā)低成本、綠色化廢棄碳纖維復合材料回收及再利用技術刻不容緩。

圖1. 碳纖維復合材料閉環(huán)回收再利用示意圖

  再生碳纖維作為復合材料廢棄物中最具價值的回收產(chǎn)物，與原始碳纖維相比具有較高的強度、模量保留率且成本低廉，但是通常呈現(xiàn)為短切蓬松不連續(xù)的狀態(tài)，導致其很難再次加工成型為高性能復合材料，大大限制了其再利用價值。北京化工大學賈曉龍教授、楊小平教授團隊從2014年開始致力于探究再生碳纖維高效、高值化再利用技術，經(jīng)過多年的研究，成功開發(fā)了流場分散、取向的新方法并形成了中試級別的工業(yè)生產(chǎn)線實現(xiàn)了再生碳纖維取向氈的規(guī)�；B續(xù)制備。此外，該團隊通過合理利用再生碳纖維優(yōu)異的導電、導熱性能，開發(fā)了結構-功能一體化再生碳纖維復合材料，進一步提高了其再利用價值。前期，該研究團隊通過再生碳纖維表面改性實現(xiàn)其流場分散和與樹脂界面結合性能的協(xié)同改善，實現(xiàn)了復合材料機械性能的大幅提升，并初步探索了其在電磁屏蔽領域的應用（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987）。

  近期，該團隊開發(fā)了基于磷酸分解和流場取向的碳纖維高效閉環(huán)回收再利用方法，高度取向結構賦予再生碳纖維氈各向異性及結構可設計性，實現(xiàn)了再生碳纖維復合材料高性能化。采用磷酸分解復合材料廢料可以得到樹脂降解物以及性能保留率很好的再生碳纖維。此外，磷酸分解液經(jīng)CH2Cl2萃取去除分解的有機產(chǎn)物后仍具有良好的分解效果，證明了該方法的可循環(huán)性。得到的再生碳纖維首先被均勻分散在分散液中，然后分散液利用自重通過狹縫，在此過程中流場剪切作用對其進行取向排列，后續(xù)進行抽濾和烘干實現(xiàn)再生碳纖維取向氈連續(xù)規(guī)�；苽洹�

圖2. 基于磷酸分解和流場取向的碳纖維高效閉環(huán)回收再利用方法

圖3. 再生碳纖維取向原理及100m長的取向氈

  通過自重狹縫流場取向法制備得到的再生碳纖維取向氈長度連續(xù)，寬度可達30-1000mm，平均取向度超過80%，此外，再生碳纖維表面相對清潔，沒有過多的分散劑殘留。

圖4. 取向結構對復合材料的力學性能影響

  高度取向的再生碳纖維不僅可以大大增加復合材料中纖維的體積分數(shù)，而且可以充分發(fā)揮纖維的各向異性特性有助于復合材料的結構設計。復合材料的拉伸和彎曲測試表明，取向氈合理的鋪層設計有利于復合材料面內(nèi)和層間更均勻的應力傳遞，從而提升再生碳纖維復合材料的機械性能。

  此外，取向結構對于再生碳纖維復合材料的電性能也有較大影響，沿纖維方向的導電率大幅提升，使得設計再生碳纖維取向氈鋪層結構以強化復合材料電磁屏蔽性能成為可能。

圖5. 取向結構對復合材料的電磁屏蔽性能影響

  這種規(guī)�；鲌鋈∠蚍椒ú粌H將短切蓬松不連續(xù)的再生碳纖維轉化為規(guī)則有序的連續(xù)取向氈增強體，還可以利用其各向異性對復合材料進行結構設計，最后實現(xiàn)再生碳纖維復合材料的結構-功能一體化提升，大大提高了再生碳纖維的再利用價值，對于碳纖維復合材料高效回收再利用具有重要的工程意義。

  以上研究成果以“Phosphoric acid derived efficient reclaimation of carbon fibre for re-manufacturing high performance epoxy composites reinforced by highly-aligned mat with optimized layup”為題，受邀發(fā)表于Composites Part B: Engineering回收利用�？�（Composites recycling）上。北京化工大學還獻華博士和吳天宇博士為論文共同第一作者，通訊作者為北京化工大學賈曉龍教授。

  該研究受到國家重點研發(fā)計劃（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科學基金（No. 2192044）、中央高校基本科研業(yè)務費（No. XK1802-2）、2019年北京化工大學青年英才計劃、有機無機復合材料國家重點實驗室開放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）等項目資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108656