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複合材料產業廢棄物循環及再利用評估
複合材料
2024/05/02

文: 鄭惟升 塑膠中心技術研究發展部

在經歷2020年和2021年兩年市場低迷後,碳纖維產業在2022年出現了反彈,全球碳纖維產業的產量成長約9%,產值達到36億美元。Lucintel公司預測,從2023年到2028年,全球碳纖維產業的需求量將以約7%的複合年增長率(CAGR)成長。原因主要在於風力渦輪機葉片中的應用成長、飛機交付量的回升、電動汽車、運動用品以及電氣、電子產品需求的成長。在總產量部分,JEC Composites Magazine於2019年曾提到中國與亞洲產量為520萬噸(佔總產量46%、產值佔有率41%)、歐洲產量240萬噸(佔總產量21%、產值佔有率24%),說明在亞洲地區其產品應用偏向低單價商品、歐洲則偏向高單價商品發展。因此,說明複合材料在亞洲地區生產產品總類繁多,以台灣為例,台灣在碳纖複材總體產量為全球第四,產品涵蓋面則高達2~3千多種,且集中於運動器材、PCB以及遊艇等系列商品。為此,未來若隨碳纖複材用量及用途逐年提高,隨之將面對多元碳纖維廢棄物處理問題。
 
以台灣複合材料產業來看,估計約有30%的碳纖維會以下腳料的形式出現,也代表著這些有價值的材料最終進入垃圾填埋場或者焚化爐焚燒,因此,複材產業無不透過各種產官學研究合作,以提升高質材料的使用效率、產生新的經濟動能以及創造資源價值為目標,發展關鍵技術能將廢棄物能夠循環再利用,以解決現有處置問題。綜觀碳纖維複材回收技術可分為「物理機械法」、「化學溶劑法」、及「高溫熱解法」三類:
 
(1) 物理機械法
物理機械回收碳纖維的過程是將廢棄複合材料破碎成更小的碎片,這些碎片通常在50–100 mm的尺寸範圍內。一些高速銑削機甚至能夠將尺寸進一步縮小至50µm到10 mm之間。接著,利用粉碎機分離技術,根據使用鼓風機和篩網的搭配,將廢棄料進行分類。這種方法主要根據顆粒大小進行回收,將具有較高纖維含量和較高樹脂含量的兩種物質分開收集。儘管如此,值得注意的是,這種方法的局限性在於碳纖維在過程中會遭到破壞,因此無法得到有價值的長纖維進行加工利用。
 
(2)化學溶劑法
在化學回收過程中,首先將廢棄複合材料中的聚合物溶解在化學溶液中,這些溶液可以是酸性、鹼性或者特殊溶劑。然後,根據聚合物的性質,選擇適合的化學溶劑和催化劑搭配,以加速化學反應的進行。在進行化學溶解之前,固體材料會先進行機械破碎,以增加其比表面積,從而提高溶解效率。隨後,一旦聚合物被溶解,就可以進行碳纖維的回收,清洗去除表面殘留物。這樣的化學溶劑回收,其最大優勢就是保留了最大機械效能的長纖維,有利於後續的傳統塑膠加工。
 
 (3)高溫熱解法
熱裂解過程中,首先將廢棄複合材料利用熱能量進行分解,這個過程可以區分為三種主要類型:燃燒/焚化、高溫流體化床以及熱裂解。通常,熱裂解的工作溫度相對較高,約在450–700°C之間。在這樣的高溫下,複合材料中的樹酯容易被燃燒,從而使高質材料碳纖維得以保留下來。然而,熱裂解的操作溫度設定至關重要,因為不同類型的樹脂需要不同的最適溫度。若溫度不適當,可能會導致在碳纖維表面殘留煤焦,或者使得碳纖維直徑變小,從而影響其強度。因此,在選擇熱裂解回收法時,必須嚴格控制樹脂的分解溫度,確保在最佳溫度下進行,而不是將廢棄複合材料完全燃燒。

綜合以上三種碳纖維複材回收技術,在塑膠加工角度而言,高溫熱解法具有較佳競爭優勢,尤其透過微波技術的導入,能夠在加熱過程中實現即時加熱的特性。此一技術有望取代傳統熱裂解方法,解決升溫緩慢和能源浪費的問題。目前塑膠中心合作的處理廠商承接國外微波輔助熱裂解技術,通過獨特的微波反應場域設計,能夠更有效地管理能量密度,縮短廢棄複合材料處理時間,具有節能且量產特性。此外,透過高溫熱解法回收的碳纖維樹脂去除率幾乎可達百分百、碳纖維強度仍可維持9成左右,具有相當的競爭力。而塑膠中心亦將利用這些回收的碳纖維進行團狀模壓、射出加工以及長纖造粒,實現碳纖維再利用的經濟價值。

下圖: 再生碳纖維加工模式
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