干货｜这7种复合材料回收技术该咋用？
据不完全统计，我国注册的复合材料相关企业有1万多家，根据国家统计局对规模以上复合材料行业企业（全国442家企业）的生产统计，中国复合材料工业协会（原中国玻璃纤维工业协会）提供的现有数据显示，截至2018年，我国复合材料保有量已超过3400万吨。
但根据中国合成树脂供销协会不饱和聚酯树脂分会关于纤维增强领域不饱和聚酯树脂使用情况统计，以及环氧树脂协会树脂使用情况统计，2017年、2018年我国复合材料产量已分别接近和超过500万吨。以此推算，我国目前复合材料的存量超过5000万吨，并且每年还在以10%左右的速度增加。
复合材料的制造工艺包括模压、拉挤、缠绕、手糊、真空辅助等。经测算，复合材料制造过程中的边角料（包括报废品）产生率约为6%。复合材料制品的使用寿命一般预估在20~30年左右。据此推断，我国已达到使用寿命的复合材料制品约有200多万吨。
我国复合材料行业的爆发式发展始于20世纪90年代中期，当时复合材料行业技术门槛较低，材料和工艺技术相对落后，产品寿命质量难以保证。复合材料爆发式增长期间，各企业以销量为主导，市场竞争激烈无序，使产品质量和使用寿命更加难以保证。以复合材料充砂管、复合材料冷却塔、复合材料电缆保护管、SMC化粪池等为例，在市场无序竞争的情况下，出现了严重的质量问题，交付产品的使用寿命难以保证。另外，复合材料产品应用范围广泛，应用环境各异，某些领域（如户外产品或承重产品）产品的自然老化和疲劳寿命也会受到应用环境的影响。以上原因导致复合材料在实际应用中的使用寿命难以达到理论寿命的要求。这加速了报废复合材料的产生，但由于现有回收利用技术发展缓慢，大部分复合材料固体废弃物被填埋，难以获得准确的统计数据。
经调研，目前各企业、高校、科研机构等正在开展的回收技术研究方向主要有再利用法、能量获取法—焚烧法、水泥窑协同处置法、机械破碎添加利用法、热解法、化学溶解法（定向解聚）、可降解材料等。每种方法都有其独特的特点，但也有其不足之处。
1. 能源获取方式——焚烧
能量获取法是一种比较直接的处理方法，它通过燃烧复合材料中的高分子树脂部分来获取能量，可用于发电、热能等。但由于复合材料的树脂含量较低，虽然发热量高，但总发热量有限；复合材料中的玻璃纤维含量较高，因此在焚烧过程中，如果大量的玻璃纤维熔融成玻璃态，很容易粘附在炉体或炉排上，造成安全隐患。因此，只能少量加入焚烧炉。这样，无法实现工业化。事实上，各综合垃圾处理站、发电厂也不愿意回收玻璃钢制品。
2. 水泥窑协同处置法
水泥窑协同处置在英国、德国等地相对成熟，对水泥窑加入无碱玻璃纤维的成分、加入量等进行了大量的实验研究，确保加入量不会影响水泥的质量。但国内尚无成熟的实验数据和成熟的应用经验。目前已有一些企业在进行这方面的工作，或许在不久的将来，这种处理方式就会得到应用。但从某种意义上来说，水泥窑协同处置仅仅是废物的处理，并不能再利用，更谈不上高值化利用。
3.化学溶解法（定向解聚）
通过溶剂、温度和压力，使聚合物在特定的键位上开链，形成长链单体或树脂原料。这是实现真正意义上的循环经济的好方法。目前，国内各大高校都开展了基于高分子材料（主要是塑料和橡胶）的各类研究，热固性复合材料基体树脂的降解也在积极研究，但尚未实现工业化，大部分研究成果处于实验室状态。另外，该方法形成的产物的纯化需要进一步研究；设备投资较大，其经济可行性有待进一步评估。其实，该方法的关键在于对高效工业设备的研究。
4. 生物降解
目前许多高校都在开展聚合物（主要是塑料、橡胶）的生物降解及全降解材料的研究，而对可降解热固性树脂和生物降解材料的研究较少。目前，作为纤维增强聚合物材料，只有聚乳酸和可降解环氧材料可用。由于可降解材料的性能差异和成本较高，有些材料还处于研究阶段，目前难以实现工业化应用。
5. 热解
热解法是通过获得能量打开有机组分的树脂聚合物链，形成多组分小分子气体或液体，分离回收纤维、填料等的方法。生成的气体和液体经过冷凝、催化、蒸馏等过程可制成轻质燃料油。此方法可裂解大产物，产物不需要分割，对碳纤维制品的回收再利用更为有效。目前上海交通大学与上海叶氏科技有限公司正在进行中试。上海叶氏的热解工艺要求碳纤维制品在热解前进行分割、切碎，而回收的碳纤维为短纤维，短纤维的长度梯度比很难控制好；且对短纤维碳纤维的长度和形状没有标准要求；回收短切碳纤维的主流应用方向是制作短切毡或织物。传统的制作短切毡的技术设备是将连续纤维短切成一定长度，然后均匀分散制成短切毡。目前，还没有关于利用回收碳纤维制作碳纤维毡的工艺技术和设备的研究。另外，如何保证短纤维长度的均匀性和良好的分散性也需要进一步研究。碳纤维毡的生产过程还需要除静电、防爆等，对设备要求比较高。碳纤维/玻纤混合产品中碳玻混合纤维的分离和回收利用也是一个新课题。
至于玻璃纤维增强复合材料的热解处理，其效率需要仔细计算，从经济性角度看，其作为工业化技术路线的可行性需要论证。玻璃纤维复合材料的生产工艺不同，树脂含量也不同，都会影响热解所需的能量大小和产生的热解油的量。目前热解技术较过去已经有了很大的提高，热解能源的来源由电力、天然气、煤炭、微波等提高到复合材料热解后产生的热解气和热解油。这样就大大降低了热解过程的成本和自然能源的能耗。但是，如果用热解气和热解油来提供热解能源，是否能完全满足热解过程的能源需求？或者能否生产出更有价值的轻质燃料油？这需要更多的实验数据来证明。如果热解产生的能量不能与热解所需的能量相匹配，热解玻璃纤维复合材料产业化技术的推广就值得探讨。
6. 重复使用
对于复合材料，当其使用寿命到期或报废时，如果其部分功能还有应用价值，则可直接转移或经过相应加工后转入其他应用方向，实现再利用。以叶片为例，通过切割废弃叶片根部圆柱体，可将其应用到管道、高原缺水地区储水池、化粪池等；对于叶片腹板，可加工成建筑墙板、保温板等，实现高价值再利用。但由于目前叶片回收量相对较少，还需要进一步研究再利用产品和应用方向，实现量产和产业化。
7.机械破碎和添加
此方法是营运成本最低，最容易工业化的回收技术，但调查后发现，各公司宣称添加再利用于复合材料（SMC/BMC）、建筑板材、非承重井盖、人行道砖、路缘石等水泥制品，目前尚未在业界成熟应用。大部分回收公司或地方政府将回收物回收后进行转运、堆放或粉碎处理；若粉碎后存放，有较大的环保及安全风险，因为非常容易引起扬尘，非常容易燃烧，经雨水冲刷后对土地污染更为严重。
传统水泥制品或混凝土添加应用，因玻璃纤维会与水泥碱骨料发生反应，导致建筑业不敢使用。而抗裂砂浆用再生短切玻璃纤维则很好的解决了这一问题，研究玻璃纤维在砂浆中的作用及反应机理，替代现有的PP纤维、木质素纤维、耐碱玻璃纤维。此项技术成果包括热固性复合材料回收解离设备及一系列添加剂。设备保证玻璃纤维与树脂充分分离，并保持一定的长度梯度；添加剂包括抗裂剂、分散剂、增塑剂等。这些添加剂阻碍玻璃纤维与水泥的碱骨料反应，保证纤维分散均匀，达到更好的抗裂抗渗效果。经第三方对比测试，各项性能均优于传统PP纤维。在成本方面，再生玻璃纤维较PP纤维等有较大优势。目前此项技术已在多个项目中进行了示范应用。
综上所述，根据目前复合材料回收利用技术的发展，首先采用粉碎法将废旧玻璃纤维应用于抗裂砂浆是一种切实可行的技术方案。热解技术可以实现碳纤维的回收利用，但在商业模式、回收设备等方面还需要进一步的研究和探讨。热解技术在玻璃纤维增强复合材料中的应用还需在实验数据齐全的情况下，进行效率计算后才能确定。定向解聚技术还需要对玻璃纤维的分离技术、解聚效率、关键设备等进行研究，期望能够快速实现产业化，真正实现基体树脂的高值化利用和循环经济效应。要从源头上解决复合材料中基体树脂的回收利用，可降解基体材料的研究是最终的方向，但同时也要从工艺条件的角度考虑玻璃纤维的回收再利用。
从复合材料回收技术总体发展及产业实现来看，回收技术的应用应立足于目前回收技术的发展现状，分阶段、分步骤实现复合材料回收的产业化；各类回收方式的产业化需要围绕如何将回收的玻璃纤维再利用进行研究；一切回收技术的推广应用都应以产业化、高效化、低成本、高价值化为目标。从目前的技术状况看，实现复合材料回收的步骤如下：①再利用；②机械粉碎添加再利用；③热解；④能量回收；⑤定向解聚；⑥生物降解。
热固性复合材料固废循环利用产业发展任重道远，希望企业、科研机构、高校等各界能以产业化、高值化、循环化为目标，以“绿水青山”为己任，为我国人类生态环境可持续发展做出应用努力和贡献。
作者：中国物资再生利用协会纤维复合材料回收分会 张荣奇、张俊