永續循環趨勢下碳纖複合材料的發展：材料世界網

陳述亨 / 紡織產業綜合研究所

本文著重探討低碳永續理念在全球複合材料的主要發展趨勢，聚焦於運用回收料源及發展熱塑性碳纖複材兩個層面。全球回收碳纖維的方法包括機械回收法、化學回收法以及熱回收法，其中使用微波輔助進行熱裂解回收碳纖維是一種相對高效且節能的方式。此外，開發易回收的熱塑性複合材料也是一重要方向，藉此以提高回收率、簡化製造過程，同時提供更環保的解決方案。文章也介紹了國際上一些在碳纖維回收領域的領先公司，包括Carbon Conversions Inc.、Gen 2 Carbon以及carboNXT。這些公司致力於開發創新技術，有效處理碳纖維廢棄物，且與各產業合作，推動永續發展目標；這些努力使其在複合材料回收領域取得領先地位，並推進循環經濟的實踐。

【內文精選】

永續複合材料發展方向

在複合材料領域，產業產值以每年8~10%的速度快速增長，複合材料的應用量也在急速擴大。在航太、風電和汽車等領域的前三大應用中，均面臨著複合材料廢棄物回收的挑戰。從各國協會和研究機構的資訊以及投入的研究計畫可以看出，永續複合材料發展的方向主要集中於「運用回收料源」及「發展熱塑性碳纖複材」這兩個重要層面。

運用回收料源

使用回收料源，包括回收的碳纖及回收熱塑性樹脂材料，是推動複合材料永續發展的關鍵策略之一。高價、高性能的碳纖材料因製程需高溫長時間的碳化處理，碳排放相當高，一次使用即被棄置，極為可惜。全球對碳纖維複合材料的回收主要採用機械回收法、化學回收法以及熱回收法。目前，高溫熱裂解回收是效率較高的方式，其係透過外部施加熱源使碳纖維複合材料的外部樹脂裂解。然而，這種方法存在一些難以解決的問題，包括：能量消耗大、碳纖維結構難以控制、會產生空氣和環境汙染，以及溫度梯度不均勻導致能源浪費等。

為了克服這些問題，目前有相關的研究致力於使用微波輔助進行熱裂解回收碳纖維。這種方法將碳纖維視為產熱源，透過微波腔中微波熱輻射的作用，使碳纖維吸收微波能量，令內部樹脂加熱降解。此外，回收碳纖維的應用也是一個重要的課題。由於回收的碳纖維可能具有不同的長度並形成散亂的束狀，因此在應用時需要考慮如何處理這些碳纖維的特性，這可能涉及到開發新的製程技術或調整現有的製程，以確保回收碳纖維在應用中發揮最大效益(圖一)。

圖一、運用再生碳纖開發可重塑碳纖板

開發熱塑性複合材料

複合材料主要使用熱固性樹脂，然而，熱固性樹脂卻存在著低溫保存、製程耗時長、固化反應不可逆、難以回收再利用以及高碳足跡等問題。相較之下，熱塑性樹脂複合材料具有可回收性、多樣化加工成型、可重複再利用、能耗低、製程快速等優點，符合現今社會對於環保和製程簡化的需求。

在碳纖維複合材料中，樹脂基體不僅通過界面以剪應力形式向碳纖維傳遞應力載荷，同時還須發揮到保護碳纖維免受外界直接損害的作用。隨著高性能熱塑性塑料不斷問世，熱塑性複合材料的應用正在迅速擴展。在基材方面，聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚醯胺(PA)樹脂等被廣泛應用；特殊工程塑料如聚醚醚酮(PEEK)、熱塑性聚醯亞胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)等也被選用作為基材，使得熱塑性複合材料的應用領域不斷擴大。目前熱塑性樹脂以薄膜及粉體型態，與碳纖複合；然而，由於熱塑性樹脂熱壓熔融的流動性相對不佳，造成碳纖「乾紗」現象。因此，紡織所開發纖維態PC熱塑性樹脂，具良好纖維型態且能與碳纖維均勻混合的PC纖維，可提升PC樹脂與碳纖的複合效果，進一步提高複合材料的整體性能。

PC樹脂是一種非結晶性高分子，其熔體黏稠，加工溫度需要≧300˚C，實現熱塑性抽絲成型難度較大，因此只有少數國際大廠嘗試開發相關技術。紡織所透過材料改質、高黏度專用紡口的開發、絲道的設計以及短纖加工技術，建立連續抽絲成型技術，提高PC纖維的成絲強度和纖維細度；同時透過設計纖維的起皺度和長度，以增加成網抱合強度，滿足複材加工需求。為克服PC無明顯熔點和難以纖維化加工的限制，將PC以纖維型態與碳纖維混合，以提升碳纖強化效果(圖三)，進一步擴展熱塑性複合材料的應用範疇 ---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。