再生碳纤维的现状

再生碳纤维的情况很复杂!

该行业建立在解决问题的希望之上 —— 即希望将碳纤维废物从垃圾填埋场中移除,并填补碳纤维供需之间的潜在差距。通常估计约30%的碳纤维最终成为废物。大多数分析师都认为,碳纤维这种材料的年需求量可能会在未来几年内超过目前的年产能,但同时却有部分这种有价值的材料最终进入垃圾填埋场。根据赫氏全球纤维总裁布雷特施奈德和CarbConsult GmbH(德国Hofheim am Taunus)总经理Dan Pichler在2018年12月的碳纤维会议上的估算,全球碳纤维需求每年为65,000-85,000公吨,而全球产能约15万公吨。正如CW撰稿人Amanda Jacob在3月报道的那样,一些分析师估计到2022年碳纤维需求可能会超过产量约24,000公吨。

虽然再生碳纤维(rCF)的商业供应商指出回收和再利用材料可以作为这种供需缺口的潜在解决方案,但rCF行业有其自身的挑战。虽然回收碳纤维复合材料的技术已存在多年,并且能够生产出机械性能与原始材料非常接近的产品,但复合材料回收行业相对年轻,并且仍处于开发材料市场的早期阶段。随着对回收公司所生产的纤维质量的信心增加,关于成本和可用性的问题已经成为最重要的问题。对该行业而言,最大的挑战可能是对供应链安全的担忧。

Vartega首席执行官安德鲁·马克西说:“技术实际上存在,而且它们已经存在了很长一段时间,但供应链还没有经过审查。”“如果没有合适的产品,你可以拥有世界上最好的技术,但你不会有材料可以回收利用,而且你也不会有任何产品产出。”

商业供应商通常将航空航天工业视为生产废料和废弃物材料的来源,用于回收。尽管航空航天工业产生的废物数量很大,但是垃圾填埋场的数量也很大,许多OEM和制造商一直不愿意将其作为大批量产品线的稳定供应来源。

另一方面则呈现好的势态,2018年12月波音宣布将向碳纤维回收专家ELG碳纤维有限公司(英国Coseley)供应固化和未固化的碳纤维废料,以便回收用于其他复合材料制造应用的二次产品。该协议是碳纤维回收商与主要飞机OEM之间的第一个正式的材料供应关系,似乎是该行业的良好预示。

这不仅仅与环境问题有关

使用rCF的理由超越了环境可持续性,降低成本也是一个明显优势。例如,ELG公司的rCF成本比工业级原生碳纤维低约40%。其他商业供应商声称他们的材料比原始碳纤维便宜20%到40%。此外,对于许多应用而言,需要不连续的纤维形式——这表明rCF可能提供可持续和更经济的替代品。

“任何行业都在使用不连续或切碎的碳纤维,再生碳纤维应该是首要考虑因素”Maxey说,“既然我们花了很大代价来生产连续形式的原始碳纤维,那么为什么我们还要将其切碎以放入热塑性塑料中?如果我们已经从废弃物中得到不连续的碳纤维,那么在我看来,对于那些无论如何都要切碎添加的热塑性树脂来说这是最好的材料。”

此外,在某些情况下,生产的rCF质量与原生纤维相当。使用热解法回收碳纤维的ELG公司表示,其纤维通常保持至少90%的拉伸强度、且模量没有变化。Vartega采用化学回收工艺,声称其纤维具有与原始碳纤维相同的机械性能。ShockerComposites(Wichita, Kan., U.S.)采用连续溶剂分解工艺回收纤维,声称质量高,对纤维没有明显损害。

短切再生碳纤维

根据威奇托州立大学博士生、Shocker Composites创始人Vamsidhar Patolla的说法,挑战在于将成本降低到与其他材料(如铝)相当的水平。他说“可加工性需要与大批量生产规模相匹配”。Shocker Composites的流程提供了这一优势,因为它是一个内联流程,而不是间歇处理流程。

鉴于过去几年在rCF加工和纤维质量的改进,商业供应商已经开始将注意力从rCF的降级利用?转移到性能要求较低的产品和寻找适合材料特性的适当应用。

“我们永远不会完全取代原生纤维,特别是在有高强度和刚度要求的航空航天领域,但人们开始认识到再生纤维不仅仅是具有弱势的再生纤维,”ELG碳纤维现场技术服务工程师Benjamin Andrews说,“在某些应用中,它有优于原生纤维的优点,比如悬垂性和表面光洁度都优于原始纤维。这不仅仅是一种循环再生材料,这是一种有其自身优势的材料。”

汽车应用怎么样?

谈到市场,汽车行业似乎应该拥有使用rCF的最大潜力。该材料将轻量化与良好的表面光洁度相结合的能力使其成为车身面板的自然搭配,更不用说各种内饰部件。rCF的商业供应商长期以来一直向业界呼吁,希望得到广泛采用,但尚未到达目标。处理时间和成本仍然是该行业的绊脚石。

美国Carbon Conversions的首席执行官Mark Mauhar认为,考虑到已经取得的进展,这些担忧是一个借口,他认为任何市场采用的主要障碍实际上是风险规避问题。

他说“没有人愿意率先采用新的材料生态系统。”他还强调,汽车行业大规模采用rCF并不一定是可取的,因为rCF的供应量有限,十几个主要汽车平台的使用可能会迅速消耗全球供应的rCF。他说,这种方法应该以利基项目为目标,反过来,从商业角度来看,这将使供应链更加稳健。

他说:“在特定型号的汽车上选取特定部件,有选择的把它使用在汽车当中是最明智可行的。”

Mauhar对汽车将成为第一个消耗大量再生碳纤维的主要市场充满希望。他预测道,“在接下来的24个月里,我们将开始看到一些变化。”

一般而言,复合材料以电池箱、压力容器、板簧甚至升降门系统等部件的形式逐步进入汽车工业,rCF遵循相同的轨迹是有意义的。

这种利基方法的一个有趣例子是ProDrive Composites(Milton Keynes, U.K.),该公司是先进的轻质复合材料制造商,应用范围从汽车和赛车运动到航空航天和国防。该公司一直与谢菲尔德大学先进制造研究中心(AMRC, AMRC, Sheffield, U.K.)和ELG公司合作开发P2T工艺,该工艺采用反应性热塑性树脂制造可回收复合材料部件,即在热压罐内,塑料单体在再生纤维、催化剂存在下原位聚合,直接制备复合材料层压板。

ProDrive Composites的首席工程师John McQuilliam说“我们已经证明,可回收的复合板以效率和低成本生产可以适合许多行业的应用”。

该公司称P2T允许复合材料使用三次或更多次。在初级部件的寿命终止时,纤维和树脂可以再循环,为热塑性次级部件(例如车身板)提供原材料。当该部件达到其使用寿命时,可将其切碎并重新制成新部件。

与此同时,Vartega正在领导一家专注于汽车行业的先进复合材料制造创新研究所(IACMI,美国田纳西州)项目。这项为期两年的技术合作旨在解决如何创制一致性的再生碳纤维热塑性复合材料,以用于车辆轻量化应用。Maxey表示,该项目正朝着强大的数据库方向发展,该数据库提供了从纤维界面到成品零件性能的全面材料表征。

当然,在考虑汽车行业时,最好的选择新兴技术相关的。电动汽车,自动驾驶汽车和汽车连接方面为复合材料可能发挥重要作用的领域,可以带来新的零件和应用机会。

Maxey提供了他对汽车行业发展方向的评估:“过去几年汽车行业已经发生了很多事情,其重点将从燃油经济性转向其他优先事项,具体取决于法规是什么,以及政府怎么说”他说:“我们没有看到轻量化的任何重大回调,但也许它的动力在不断发展。我认为你在行业中看到的是移动应用的轻量化。”

 这款由Gordon Murray Design,Formaplex和TVR开发的轻质Griffin跑车车身面板原型结合了ELG Carbiso-M再生碳纤维,编织碳纤维织物和树脂灌注(CW照片| 斯科特弗朗西斯)

航空航天能否进行闭环?

航空航天工业产生的碳纤维废物最多,商业rCF供应商经常将航空航天业视为回收利用的来源。收集过量材料,通常是未固化的热固性复合预浸料,并通过加热(热解)或化学溶剂(溶剂分解)除去树脂,得到的纤维经过研磨,切碎或造粒。

随着行业越来越多地使用热塑性复合材料(TPC),该材料呈现出一系列新的回收机会。由于热塑性聚合物可以重新熔化和再成型,因此航空航天工业有更多的机会将其自身的一些废料重新吸收到二次应用中,可能会重复使用纤维和基质。Thomas de Bruijn,热塑性复合材料应用中心(Tpac,Enschede,Netherlands)的研究员,这是一个与热塑性研究中心(Tpc,Enschede,Netherlands)在应用研究层面合作的热塑性复合材料研发中心,他指出了在工业领域的努力。我们正在进行内部回收利用。

他说,“从可行性的角度来看,对于热塑性复合材料,内部回收方法更有意义”。

德布鲁因认为,飞机制造商更可能在内部回收,而不是转向rCF的商业供应商。其主要原因是可追溯性。当供应转移到外部时,将聚合物类型匹配到给定的应用变得更加困难。

GKN Fokker(荷兰Hoogeveen)的工程压力专家Johan Meuzelaar 认为,答案是尝试在您自己的生产环境中尽可能多地找到应用。“如果我看一下我们用原始材料制造的热塑性塑料部件的类型,其中有很多部件可以回收利用,”他说。“我们当然可以消耗掉我们正在产生的大量废物。”

“我们已经拥有这些设施,”TPRC的热塑性复合材料工程师Guillaume Vincent补充道。他解释说,回收内部适合正常的流程链,并且大部分设备已经到位,使其成为最经济实惠的途径。“它适合我们在正常生产环境中的活动。”

De Bruijn,Vincent和Meuzelaar参与了由TPAC和TPRC运营的TPC-Cycle项目。该项目旨在重复利用废料加工生产热塑性复合材料,用于航空航天和大批量应用。目标是保持热塑性复合材料的高机械性能,并以可承受的成本降低整体环境影响。TPC-Cycle具有较短的循环时间,据说可以生产复杂的形状。

几个工业合作伙伴,包括GKN Fokker(荷兰)、Toray Advanced Composites(美国)、Cato Composite Innovations(荷兰)、荷兰热塑性制品和Nido Recyclingtechniek(Nijverdal,荷兰)参与了在TPC循环项目中,代表了价值链中从材料、制造、设计到应用的不同环节。

根据de Bruijn的说法,TPC-Cycle项目现在正在研究完成成本分析和生命周期分析,以证明该过程在经济上是有益的。

此外,诸如clean sky 2(由欧盟的地平线2020计划资助)等计划正在鼓励研发,重点是关闭航空废料的循环。OEMs正在寻找将再生工厂废物用于内部零件、检修面板、小型部件甚至机身夹和系统支架的潜力。

GKN Fokker项目经理bas veldman博士正在通过clean sky 2项目下的一个热塑性多功能机身演示器下半部分的剪辑和支架发起一个提案征集活动来培养这一概念。演示器开发过程中的一个重要环节是,通过使用工厂废料制作框架夹和支架等产品,减少对环境的影响。演示者还旨在用焊接代替紧固件,从而节省材料、能源和成本,同时有助于减轻重量。

根据Meuzelaar的说法,GKNFokker正在调查回收技术如何成为公司未来概念机身的一部分。他说,这一概念将潜在地使用大量热塑性复合材料,而热塑性复合材料又可能产生大量废物,可用于回收生产支架、配件和非结构部件。

他说:“考虑热塑性机身的原因是成本,我们认为这是一种成本经济的生产方法,也包括回收利用。”

Meuzelaar说,更高的目标是在航空航天领域制造出更实惠、更可持续的产品。虽然热塑性塑料的系列化生产正在取得进展,但这也会产生废物。但他相信废物再利用在商业上是可行的,并说低剪切混合/压缩成型的再生碳纤维热塑性复合材料提供了设计自由,而不是传统的层压与连续纤维。他解释说:“你可以有很多额外的选择来制造非常有趣的非结构部件,比如面板、小整流罩或系统支架,这些通常在航空航天中会被过度设计。”

他认为,机会主要在于中等规模和中等复杂程度的非结构性部分,这些部分仍然是较大部件总成本的重要组成部分。

“我们不会在不久的将来用再生热塑性塑料制造翅膀,”Meuzelaar说。“但在机翼内部,我们可以制造出具有经济意义的零件。”

尽管如此,预测热塑性复合材料对回收行业的影响还是有点遥不可及。

“废物的百分比可能会减少,这可能是由于新的生产方法,如胶带放置或定制的空白,这可能比我们看到的当前典型的嵌套和印章成型过程产生更少的浪费,”de Bruijn说“但总的来说我认为会有未来几年和几十年内更多的热塑性废物。“

“由于新的生产方法,如胶带放置或定制坯料,废料的百分比可能会降低,这可能产生的废料比我们目前看到的典型的套料和冲压成形工艺更少,”德布鲁金说,“但总的来说,我认为在未来几年和几十年中会有更多的热塑性塑料报废。”

尽管人们对内部回收利用的兴趣在上升,但总会有一些废物无法利用,制造者也不愿意或无法在内部回收利用。在这种情况下,这些材料可能由材料供应商回收。时间会告诉我们,热塑性复合材料的增加对供应链意味着什么。

在增材制造领域的应用

增材制造是另一个具有rCF潜力的领域。例如,Shocker Composites将其回收的碳纤维复合成20~40%增强ABS长丝,并在辛辛那提公司(Harrison, Ohio, U.S.)的大面积添加剂制造(BAAM)3D打印工艺中成功应用。

此外,Vartega表示正在利用其碳纤维回收技术和材料开发专业知识推进用于粉末床熔融添加剂制造的聚合物原料。该公司最近获得了国家科学基金会(NSF, Alexandria, Va., U.S.)小企业创新研究(SBIR)的资助,以在该地区开展研究和开发(R&D)。

Vartega还声称正在开发一种工艺,使热塑性粉末能够用碳纤维增强,同时确保材料在红外添加剂系统中产生功能部件。据报道,这一进展将使数字制造商充分发挥新粉末硬件平台的潜力,以生产性能类似于中等批量生产的注塑材料的零件。

“通过提供碳纤维增强聚合物粉末,无人机和医疗修复等行业的制造商将实现快速,复杂和定制3D打印的优势,同时确保他们的材料选择将展示他们所需的结构完整性。“Vartega首席产品运营官Alice Havill说。

其他应用

与此同时,再生碳纤维可以在其他市场发挥作用的应用也在不断涌现。

复合材料回收技术中心(CRTC, Port Angels, Wash., U.S.)一直在探索在各种产品中使用再生碳纤维,从公园长椅到高性能运动用品再到复合材料管。该公司使用Toray Composite Materials America(Tacoma, Wash., U.S.)的再生未固化预浸料和ELG的rCF。

 这种建筑级交叉层压木材(CLT)将热改性木材与复合材料回收技术中心的再生碳纤维相结合。(来源| 综合回收技术中心)

CRTC首席执行官戴夫•沃尔特(Dave Walter)指出,建筑业是一个具有潜在增长潜力的领域。该公司最近根据一项正在申请专利的工艺开发了一种建筑级交叉层压木材(CLT),该工艺将热改性木材与回收的碳纤维结合在一起。热改性过程将糖和木质素烧掉,提供抗腐烂和白蚁能力,然后将碳纤维条集成以增强强度。

CRTC还使用再生碳纤维制造与木饰面粘合的面板。这些面板展示了木材的美感,具有坚固,轻盈和柔韧的基材,适用于各种室内和室外应用,如下图所示,是2019年在西雅图贝纳罗亚大厅安装的。

对行业的改变?

大的变化往往是渐进式的,相对年轻的再生碳纤维产业继续缓慢推进。虽然rCF的降级继续进行,但对材料的看法开始发生变化。纤维质量已得到证实,并且工艺也在不断发展。意识到回收碳纤维的必要性很高,并且越来越多的参与者参与其中。

麦克西说:“ELG和波音的宣布是一件非常重要的事情;它有助于每个人向前推进,加速供应链的连接。”

“我们在这里启用并连接点,”他补充说,总结了这个行业。“我们拥有这种支持技术,位于供应链的中间,但它确实将废物流中的搁浅资产连接到下游的未满足需求。”

Carbon Conversions的Mark Mauhar表示,最大的变化是供应商现在希望成为解决方案的一部分。“两年前,我们每周都会接到供应商的多个电话,询问如何处理废品,但对使用这些材料没有兴趣。”“现在,人们开始行动起来,我们终于开始看到,再生碳纤维的潜在客户在切割成型工具、构建原型和实体模型、解决工艺问题等方面投入了大量资源——所有这些活动虽然离商业应用还有距离。”也许它真正需要归结为耐心。ELG碳纤维首席执行官Detlef Drafz指出,检查其他传统材料的回收历史是有帮助的。

他说,“50多年来,ELG为不锈钢行业回收了原材料,对于金属而言即使在涡轮叶片的真空炉中使用废料也是可以接受的,因为人们认为再生金属是一种原材料,只需经过适当加工即可。然而这在25年前的航空航天应用中并不常见,但是,我们建立了一个供应链,以保证回收材料的性能。我们目前正在做同样的事。”