随着碳纤维增强环氧树脂复合材料在航空、风电等领域的广泛应用，其在制造和使用过程中产生的含环氧树脂碳纤维废弃物日益增多，预计到2050年将达47.8万吨。传统回收方法如机械粉碎仅能得到低价值填料，化学回收效率低且试剂有毒，热回收则能耗高、产物质量下降。如何高效、可持续地处理这些废弃物，已成为一项紧迫的全球性挑战。
近日，哈尔滨工业大学王黎东教授、盛捷副研究员开发出一项名为“固体火焰升级回收”的新技术为解决这一难题提供了创新方案。该技术利用镁粉和碳酸钙粉末作为反应物，通过自蔓延高温合成，在短短几秒钟内将含环氧树脂的碳纤维废弃物转化为高附加值的石墨烯接枝碳纤维和石墨烯粉末。该方法不仅能耗极低，而且在增强石墨复合材料、电磁干扰屏蔽等领域展现出广阔的商业应用前景，为碳纤维废弃物的长期管理提供了可持续的策略。 相关论文以“Upcycling carbon fibre wastes in solid-flames”为题，发表在Nature Communications上。 研究团队首先通过固体火焰技术处理了三种典型的碳纤维废弃物：碳纤维边角料、预浸料和废旧复合材料。结果显示，所有废弃物表面均成功生长出石墨烯片层，形成石墨烯接枝碳纤维，并同步生成石墨烯粉末。扫描电镜和拉曼光谱证实了石墨烯的存在，其接枝结构显著提升了纤维的表面粗糙度和比表面积。 图1：在固体火焰中升级回收碳纤维废弃物 进一步对石墨烯-碳纤维接枝界面的微观结构分析发现，界面主要通过C-C键合连接，并含有较高比例的sp³杂化碳，这种键合远强于范德华力，能有效防止石墨烯剥离。纳米划痕测试与分子动力学模拟结果吻合，证实接枝界面具有优异的刚度，利于载荷传递。 图2：GCF表面微观结构与接枝分析 为揭示其形成机理，研究结合分子动力学模拟与密度泛函理论计算，提出了镁介导的碳化机制：在固体火焰高温下，镁能促进环氧树脂中C-O键的断裂，加速C-C键的相互连接，从而驱动环氧树脂向石墨烯转化。该机制通过实验观测到界面处MgO纳米晶的存在而得到佐证。 图3：环氧树脂分解途径的机理研究 在可持续性方面，生命周期评估表明，该技术的累计能源需求和全球变暖潜能均低于热回收和焚烧方式，且合成石墨烯粉末的环境影响也小于传统的Hummer法或化学气相沉积法。技术经济分析显示，通过协同处理碳纤维废弃物，可将石墨烯粉末的生产成本降至具有市场竞争力的水平。 图4：生命周期评估研究及结果 应用性能测试中，石墨烯接枝碳纤维用于增强石墨材料，在10 wt.%添加量下使复合材料的弯曲强度提升至约107 MPa，远超未增强石墨的25 MPa。同时，所得石墨烯粉末具有良好的导电性和电磁干扰屏蔽效能，在Ku波段总屏蔽效能达33.3 dB，且成本远低于商业石墨烯产品，适用于电动汽车和消费电子等领域。 图5：升级回收产品的性能与应用 综上所述，这项固体火焰升级回收技术成功将碳纤维废弃物转化为高价值的石墨烯接枝碳纤维和石墨烯粉末，其过程高效、节能且环境友好。该技术不仅为碳纤维废物的循环利用开辟了新路径，所获得的高性能材料在多个工业领域展现出巨大应用潜力，有望在未来构建从废弃物到高值产品的可持续供应链，助力减轻环境压力并推动循环经济发展。
