熱固性纖維複合材料的回收與高值化應用

 

刊登日期:2020/12/5
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沈銘原/國立勤益科技大學
 
熱固性複合材料主要指的是纖維補強熱固性高分子基材複合材料,尤以碳纖維與玻璃纖維為主要補強材。台灣纖維複合材料產業自民國六十年代由光男公司開始製造第一支網球拍開始,產業歷經球拍、自行車、航空、汽車等發展,目前已是世界碳纖維複材產品製造之最大生產國,尤以碳纖維球拍與自行車為主要產品。目前預估複合材料廢棄物的數量每年將增加超過10萬噸,其中包括碳纖維與玻璃纖維複合材料。因此,各行業大量產生的複材廢棄物已經成為阻礙複材應用和發展的最大問題,特別是隨著相關環保法規和複合材料廢棄物處理規定的日益嚴格,要繼續維持增強複合材料產業的快速和健康發展,就必須高度重視複合材料廢棄物回收與再利用技術的研究和開發。本文主要探討廢棄之碳纖維與玻璃纖維複合材料目前回收技術情況,希望可藉此瞭解並協助廠商完成回收纖維補強熱塑性與熱固性樹脂的高值化應用方向。
 
【內文精選】
熱固性複合材料(Thermosetting Composite)主要指的是熱固性纖維複合材料,尤以碳纖維與玻璃纖維為主要補強材。隨著纖維複材在航空、風電葉片、土木建築、船舶、日用電器、機械等領域應用的迅速擴大,再加上原本台灣首屈一指的運動用品(球拍、自行車等),台灣纖維複合材料產業自民國六十年代由光男公司開始製造第一支網球拍開始,產業歷經球拍、自行車、航空、汽車等發展,雖產業技術與產能名列世界前矛,但所產生的複材廢棄物也相當驚人,至今複材廢棄物回收再利用技術的開發和產業化已迫在眉睫。歷年來國內外複材產業發展歷程如圖一所示。根據統計資料,到2025年全球將有超過8,500架左右的民航機退役,相信其複材廢棄物的數量相當驚人;此外,隨著風電產業的快速發展和風機葉片尺寸不斷增大,預估到2034年全球碳纖維複合材料葉片廢棄物的數量亦將高達到225,000噸以上;而目前僅海峽兩岸台商在運動器材複合材料產品廢棄物的數量就已超過200萬噸,預計每年新增加的複合材料廢棄物將超過10萬噸。
 
圖一、複合材料產業發展歷程
圖一、複合材料產業發展歷程
 
廢熱固纖維強化塑膠於基礎建設高值化循環再利用研究團隊
使用高溫熱裂解法進行碳纖維複合材料回收存在不易克服的問題,如能源損耗、纖維結構難控制等。也就是說這種高溫裂解方式是透過外部加熱使廢熱固碳纖維複合材料之樹脂產生裂解,但從外部加熱的方式容易形成溫度梯度,造成廢CFRP溫度分布不均勻且形成能源浪費。同時尚存在能源效率差、反應時間久以及回收得到的碳纖維品質差異性大等問題。為了克服高溫熱裂解法取得回收碳纖維紗的缺點,近年來包含工研院、業界專家以及本研究團隊,均對廢熱固碳纖維複合材料以微波熱裂解的方式進行回收展開一系列之研究。期望透過微波熱裂解回收廢熱固碳纖維的方式,在快速、省能的條件下,回收品質較佳的碳纖維紗。
 
本團隊雖分別針對廢棄熱固性GFRP與CFRP的回收與應用特性進行許多深入的研究,然而因篇幅有限,故本文僅先針對幾位教授的研究成果簡單介紹…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖十一、灌製混凝土試體
圖十一、灌製混凝土試體
 
★本文節錄自《工業材料雜誌》408期,更多資料請見下方附檔。

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