複材產業淨零技術的今生與來世：材料世界網

陳中屏 / 工研院材化所

淨零成為未來產業標配的趨勢下，對複合材料產業應是個機會而不是危機，複合材料廢棄物處理的經濟及環保衝擊似乎也有解決之道。本文從整個生命週期評估產品對總體環境負荷的角度切入，在環保永續的目標下，探討複合材料回收再生技術的重要性，以及幾項未來可能的發展方向，希望能給複材同業們一些幫助。

【內文精選】

複合材料可能淨零嗎？

淨零(Net Zero)、負碳排(Carbon Negative)、碳中和(Carbon Neutral)、氣候中和(Climate Neutral)等都是針對氣候危機的行動目標，都是要減緩、調適甚至逆轉氣候危機下的人類文明生存挑戰。根據聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的定義，一家企業或一個組織的二氧化碳排放量，經過清除二氧化碳達到平衡（衡量期間通常是一年）時，就代表達成碳中和，或是淨零排放二氧化碳；而淨零、淨零碳排、淨零排放是因為造成氣球暖化的溫室氣體不是只有二氧化碳，還有甲烷等，要逆轉氣候危機光是減碳還不夠，必須是要減少所有的溫室氣體排放，淨零指的就是溫室氣體排放接近零值。

以碳纖維(Carbon Fiber)製造為例，碳纖維是通過煉油獲得丙烯腈，然後將這種丙烯腈紡絲並烘烤細紗製成的。由於1,000˚C以上的高溫烘烤，生產1噸碳纖維會排放20噸二氧化碳，乍看之下碳纖維是高排碳產業。碳纖維材料具有優良的比強度和彈性模量，這些特性可用於提高運輸工具的燃油效率，或通過提高風力發電效率來提高能源使用效率。當我們將輕而強的碳纖維複合材料(CFRP)用於飛機和汽車，以減輕重量並提高燃油效率，可以對減少二氧化碳排放量做出重大貢獻。

如圖三所示，Toray公司估計，如果日本的乘用車(擁有4,200萬輛汽車，不包括輕型汽車)和客機(擁有430架飛機)採用碳纖維來減輕重量，從而提高燃油經濟性，將減少2,200萬噸二氧化碳。對應於2006年日本二氧化碳排放總量(13億噸)約1.5%，這清楚地說明了為什麼使用碳纖維複合材料可減少二氧化碳和為全球環境做出貢獻。

圖三、Toray公司使用生命週期評估方法評估碳纖維對環境的影響

複合材料回收再生技術發展近況

2. 再生碳纖維排序提升應用價值

由於回收後的碳纖維經過切碎呈現纖維不連續、蓬鬆及糾結狀態，可利用加濕經梳理機鋪成網製造成無紡布形式應用。目前，市場上的主要碳纖維回收產品是無紡布、短切或粉粒型態進行應用，例如無紡布的層壓成型、短纖塑膠粒的注塑成型等。但這些方法生產的複合材料碳纖維體積含量低於40%、纖維方向難以控制，導致回收碳纖複合材料性能及應用領域受限，無法提升碳纖維回收價值。

3. 纖維複材全循環回收

目前，廣泛使用的回收方法有機械方式(主要是研磨)、熱裂解和溶劑分解。機械法是一種將報廢的複合材料簡單地粉碎、研磨成粉末並過篩的技術，這種方法得到的產品富含樹脂，只能用作填料或能源，因此商業價值很低。熱裂解方式包括普通熱裂解、流化床熱裂解和微波輔助熱裂解。簡單來說，複合材料在有氧、缺氧或水蒸氣的氣氛下被加熱到樹脂的分解溫度，使樹脂降解為油、氣和固體(纖維、最終填料、碳)。熱裂解過程已達到工業級生產，但這種方法對纖維的性能影響很大。溶劑分解法可分為高溫(T > 200˚C)和低溫(T < 200˚C)方法。高溫高壓法主要應用於超臨界水技術(溫度 > 374˚C，壓力 > 221 bar)，在工業應用中會導致高能耗和安全隱患。低溫(T < 200˚C)溶劑分解法涉及濃腐蝕劑，例如接近或高於沸點的硝酸，這會帶來健康和安全風險，尤其是在工業規模進行時。

由於溫和的回收條件、回收纖維的完整性和回收樹脂的再利用，開發基於可降解熱固性材料易於回收的複合材料，被認為是解決複合材料回收問題有希望的方法。可降解熱固性塑料在交聯網絡中具有一定量的可裂解鍵，在一定條件下可依需要而解聚(如圖九所示)。近年來，可降解熱固性材料發展迅速，也有一些可降解熱固性材料與碳纖維實現碳纖維複合材料的易回收性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。