特別說明：本文由米測技術中心原創撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創丨米測MeLab
編輯丨風云
研究背景
碳纖維增強聚合物（CFRP）用于全球能源轉型的許多應用，包括用于輕量化飛機和車輛以及用于風力渦輪機葉片、集裝箱和氣體儲存容器。鑒于CFRP的高成本和能源密集型制造，需要回收完整的碳纖維和環氧-胺樹脂組件的回收策略。
關鍵問題
然而，CFRP的回收主要存在以下問題：
1、目前很少有報告旨在完全回收纖維和環氧胺樹脂
目前工業上纖維增強塑料（FRP）的回收主要集中在纖維回收，但纖維回收過程中會降低纖維的機械性能，限制了其再利用的范圍和價值。此外，現有的纖維回收方法主要關注纖維本身，而不能實現樹脂的閉環回收。
2、環氧-胺單體回收效果難以保證，影響了CFRP的高效回收
回收環氧-胺單體面臨兩大難題：一是現有方法如催化解聚和堿介導法難以完整回收胺硬化劑且易結垢；二是溶劑分解雖有前景，但定量分析單體產物和鑒定解聚產物的方法均不完善，導致回收效果不佳，影響CFRP高效回收與再利用。
新思路
有鑒于此，美國可再生能源實驗室Gregg T. Beckham等人證明了乙酸可以有效地將碳纖維復合材料中使用的脂肪族和芳香族環氧胺類熱固性樹脂解聚為可回收的單體，從而得到原始碳纖維。對來自多個部門的材料進行解構，表明該方法具有廣泛的適用性，可以從2 h反應中提供清潔的纖維。將最佳條件放大到80.0?g的廢棄CFRPs，并將回收的碳纖維制成演示復合材料，再回收兩次，并保持其強度。工藝建模和技術經濟分析表明，該方法具有成本效益，每千克回收碳纖維的最低銷售價格為1.50美元，而生命周期評估顯示，工藝溫室氣體排放比原始碳纖維生產低99 %左右。總的來說，這種方法可以實現工業碳纖維復合材料的回收利用，因為它提供了清潔的、機理上可行的回收碳纖維和從熱固性樹脂中回收的樹脂單體。
技術方案：
1、探索環氧胺CFRP的理想解構方法
作者發現，200-300℃、30 bar N?下，乙酸可有效解聚環氧胺樹脂，脂肪族胺固定樹脂0.5-1小時完全溶解，且多種樹脂制劑均適用，展現出廣泛的適用性。
2、研究了模型復合材料的解構
作者將含不同樹脂的CFRPs置于乙酸中，在280℃、30 bar N?下反應。脂肪族胺交聯CFRP 1小時后纖維清潔，樹脂幾乎全除。
3、探究了消費后和工業后的底物和單體分離
作者將乙酸解構方法應用于多種廢物FRP，包括航空航天、海洋、山地自行車、醫療器械和潮汐渦輪刀片等材料，大部分材料樹脂去除率超99%，纖維保持清潔和完整，成功回收雙酚和二胺單體。
4、分析了擴大和切碎的復合循環，并進行了經濟分析
作者將山地自行車CFRP在1升規模下解構，成功制備分散復合面板。TEA和LCA表明，該方法經濟可行且環境友好，每千克rCF成本1.50美元，減排效果顯著。
技術優勢：
1、實現了高效解聚的同時保持纖維性能
本文證明了乙酸能有效解聚由各種胺硬化劑制成的環氧-胺熱固性樹脂，在樹脂分解后，回收的纖維能夠保持其機械性能，解決了傳統回收方法中纖維性能降低的問題，使得回收纖維在后續應用中具有更好的性能保障。
2、展示了醋酸解聚方法的廣泛適用性和經濟環保優勢
作者展示了醋酸解聚方法對來自航空航天、海洋和體育用品部門的CFRP中各種環氧-胺樹脂的解聚能力，表明其具有廣泛的適用性，技術經濟分析（TEA）和生命周期評價（LCA）表明，乙酸介導的環氧-胺樹脂解聚是一種經濟有效的方法。
技術細節
模型熱固性系統的解構
本研究旨在探索環氧胺CFRP的理想解構方法，使樹脂分解為穩定、可溶且化學完整的產品，并與清潔纖維分離。通過模型Thermost評估反應條件，發現200-300℃、30 bar N?下，乙酸可有效解聚環氧胺樹脂。在240℃以下，反應無法產生可檢測產物；240℃時，樹脂僅部分分解，BPA衍生物產率10mol%；260-300℃時，樹脂完全溶解，BPA衍生物產率達40-69mol%，DAIPDA產率50-95mol%。時間過程實驗表明，280℃時，脂肪族胺固定樹脂0.5-1小時內完全溶解。GPC分析顯示，短反應時間生成低聚物，隨時間轉化為單體。降解產物隨溫度升高和反應時間延長而增加。對芳香胺固定樹脂及多種工業相關樹脂制劑的研究也顯示出類似結果，表明該方法具有廣泛的適用性。
圖 醋酸水解為脂肪族環氧胺類熱固性材料
模型復合材料的解構
研究在驗證乙酸解構環氧胺樹脂能力后，將CFRPs置于20 ml乙酸中進行反應。結果顯示，在280℃、30 bar N?下，脂肪族胺交聯CFRP反應1小時后，通過SEM檢查發現纖維不含樹脂且無缺陷，TGA確認樹脂幾乎完全去除。芳香胺交聯CFRP反應2小時后，SEM和TGA均顯示纖維清潔，4小時后BPA和胺產物產率分別達96%和59%。此外，反應后回收碳纖維（RCF）的單纖維拉伸測試表明，其拉伸模量與原始碳纖維（VCF）相當，僅芳香族CFRP經4小時反應后的纖維拉伸模量有例外，整體纖維完整性在較長時間反應后仍保持良好。
圖 脂肪族和芳香族環氧-胺CFRP的醋酸水解
消費后和工業后的底物和單體分離
研究將乙酸解構模型環氧胺樹脂并保留纖維機械性能的方法應用于20 mL規模的后消費和后工業廢物FRP，涵蓋飛機、賽車帆船、山地自行車、醫療器械和潮汐渦輪刀片等不同來源的FRP材料。這些材料未進行預處理，僅縮小尺寸后在280℃下用冰醋酸解構2小時。通過SEM、TGA和GC-MS評估樹脂去除、纖維損傷和分子產物。結果顯示，航空航天CFRP在所有重量負荷反應后纖維上殘留少量樹脂，可能是熱塑性添加劑；海洋CFRP回收纖維干凈且未損壞；山地自行車和醫療器械CFRP材料樹脂去除率超過99.5%；GFRP潮汐渦輪刀片樹脂去除率達99.8%。所有材料均產生雙酚和二胺單體。此外，通過水解和洗滌等后處理方法，從模型反應混合物中回收了部分DAIPDA單體，分離純度達到37%。
圖 消費后材料上的乙酰化反應
擴大和切碎的復合循環，過程建模
研究以山地自行車CFRP為對象，進行了1升規模的解構實驗，并成功制備了分散復合面板。實驗表明，增加重量負載后，通過更深入的洗滌，可將基材轉化為清潔的回收碳纖維（rCF）。在擴大規模至400 ml乙酸時，80.0 g的山地自行車CFRP在280℃下反應2小時，得到56.6 g的rCF，殘余樹脂含量僅為1.2±0.7 wt％。利用回收的rCF制造了新的復合材料面板，并成功進行了三代回收，每代材料的機械性能均保持穩定，且與6061鋁和304不銹鋼相比，具有更高的比彎曲強度。此外，通過技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA），證明了該方法的經濟可行性和環境友好性。每千克rCF的最低銷售價格為1.50美元，且LCA顯示所有指標相對于原始碳纖維生產減少了90%以上。盡管如此，rCF的應用仍面臨挑戰，如纖維對齊和長度維持等，但通過優化界面樹脂與短纖維的結合，有望擴大其應用范圍。
圖 碳纖維增強塑料乙酰化工藝的工藝模型及經濟和環境評估
展望
總之，這項工作為可回收的單體提供了一種有效的環氧胺解聚方法，同時提供了高質量的清潔rCF，可用于新應用。模型的交聯材料完全解構，可以在短短1小時內回收原始纖維。醋酸溶解顯示在多種消費者和后工業材料中有效。初始擴大規模提供了用于演示rCF圓形的材料，提供了具有比鋼和鋁更高的彎曲強度重量的dCFC面板，并維持了兩代循環使用。深入的過程建模提供了經濟和環境影響指標，表明了巨大的應用前景。
參考文獻：
Lahive, C.W., Dempsey, S.H., Reiber, S.E. et al. Acetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling. Nature (2025).
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09067-y
