吳宜靜、劉芳誠、金楷彥、張淑美／臺北科技大學有機高分子研究所
隨著碳纖維補強材料(CFRP)在各領域使用量的增長，如何從廢CFRP中回收高價值的碳纖維正成為重要的研究方向。本文以別於目前成熟且商業化的高溫燃燒回收法，利用微波灰化系統對廢棄熱固性碳纖維複合材料進行高溫熱裂解。與高溫爐相比，在550˚C下表面清除率較優，進而針對微波進行後續回收碳纖維與原絲之單絲拉伸試驗，研究可得知，微波熱處理後碳纖維保留機械強度，可回收再利用於強化所需材料進而回歸市場運用。
【內文精選】
前 言
1. 研究背景
碳纖維(Carbon Fibers)為一種單位強度比鋼強勁、比不鏽鋼更加耐腐蝕、又能像銅一樣導電的纖維狀碳材料，且由於其重量較金屬材料輕、化學性質穩定、添加於材料之中可耐衝擊及提升韌性，所以近年來在全球廣泛運用於工業產品、航空航太、運動休閒用品等多種領域中，又被稱為「黑色黃金」。
隨著碳纖維使用量的逐年增加，目前僅海峽兩岸在複合材料廢棄物數量已達200萬噸，且預計每年新增加廢棄物將超過10萬噸。因台灣目前無專門掩埋並回收廢熱固纖維複合材料的特殊掩埋場，且焚燒回收處理常致使空氣汙染（產生硫氧化物、一氧化碳等常見對人體有害之廢氣），焚燒後掩埋的灰分常會對土壤造成二次汙染，因此各國開始研發廢棄碳纖維複合材料回收再利用的技術。
2. 回收方法
現今全球各界對於碳纖維複合材料的回收主要分為機械回收法、化學回收法以及熱回收法。目前以高溫熱裂解回收複合材料中的碳纖維為主要回收方式。此種方式是透過外部施加熱源達到碳纖維複合材料的外部樹脂裂解，但其中仍存在一些不易解決的問題，例如所需消耗的能量龐大、處理過後的碳纖維結構不易控制、後續所產生的空氣及環境汙染且造成的溫度梯度分布不均而造成能源的浪費等，因此，此次研究使用微波(Microwave)法進行熱裂解回收碳纖維（圖二）。此方式是一種將碳纖維視為產熱源，在微波腔中受微波熱輻射作用使碳纖維吸收微波能量，傳熱方向由內至外並將樹脂從內部加熱降解，與常見加熱方式熱流傳遞方向相反且溫度梯度相較為均勻，並藉改變各種實驗條件，期許達到快速省能的回收效果。
圖二、微波灰化系統
在傳統高溫加熱過程中，複合材料中的基材樹脂熱解時，有可能連帶造成碳纖維的機械強度折減。因此，本次以微波熱裂解碳纖維進行研究，以高溫微波過後碳纖維單絲抗拉伸強度(Tensile Strength)研究，探討微波回收碳纖維能否保留原碳纖維絲的機械性質，俾再利用成為補強材回歸市場。
研究方法
本研究透過改變微波實驗參數，來了解不同條件下的廢棄熱固性碳纖維複合材料、進行熱裂解回收後的機械性質之差異。
2. 高溫熱裂解研究結果
由SEM及EDS元素分析初步解析實驗結果可以得知（表一、表二），原碳纖維複合材料表面碳含量為85.1%、氧含量為14.5%、矽含量為0.4%；以高溫爐與微波處理同樣在加熱至550˚C的條件下，高溫爐處理後的碳纖維表面清除率為94.1%、微波表面清除率為99.6%，兩者處理後碳纖維絲外觀無明顯缺陷，兩種方式處理後剩餘之表面元素皆為矽；由實驗數據可以知道，相較於高溫爐，微波處理碳纖維的清除率上升了2.5%，清除效果較優。後續針對微波進行更高溫處理廢棄碳纖維複合材料，清除率可以達到99.8%（表三），清除效果較優。在下個章節我們將針對微波處理後碳纖維絲進行單絲抗拉強度測試…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
表二、高溫爐與微波特性及實驗結果比較
★本文節錄自《工業材料雜誌》409期，更多資料請見下方附檔。