汽車輕量化需求持續(xù)增長 碳纖維回收如何增效降本
發(fā)布時間：
2019-10-22
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簡單來說，碳纖維是一種含碳量在90%以上的強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、擁有良好的吸能效果的材料，可以取代很多傳統(tǒng)材料，對于汽車輕量化具有跨時代的意義。不過高昂的價格讓車企和消費(fèi)者望而卻步，近幾年成本稍有降低才得以民用，目前每千克200~250元的價格，依然遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料，使得很多汽車企業(yè)在使用碳纖維時捉襟見肘。
汽車行業(yè)碳纖維使用現(xiàn)狀
在包括汽車在內(nèi)的其他行業(yè)，近幾年對碳纖維需求量增長非常迅速，預(yù)計2020年將增長至每年14萬噸。碳纖維在機(jī)動車行業(yè)使用壽命為15年，在航空領(lǐng)域是20到25年，并且目前的飛機(jī)機(jī)身碳纖維占比為40%，所以在未來10年到20年，市場上會有大量的碳纖維材料需要去回收，中國2017年4月份出臺了《循環(huán)發(fā)展引領(lǐng)行動》，10月份推出《產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展指南》，里面都提到碳纖維復(fù)合材料的回收再利用。
如今除了寶馬I3碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)50%，大部分燃油車依然是使用鋼材或者合金車身，新能源汽車之前多采用全鋁車身和碳纖維車身，隨著動力的增強(qiáng)，為了削減成本也開始使用鋼鐵以及合金，比如特斯拉Model S采用全鋁車身，現(xiàn)在新款Model 3換成了鋼、鋁混合車身，寶馬I3將換成鋼、鋁、碳混合車身，國產(chǎn)新能源汽車更多是小型車，多采用低成本全鋁合金框架，整體汽車行業(yè)碳纖維使用率較低，難以實(shí)現(xiàn)極致的輕量化，碳纖維的回收勢在必行。
高效率回收仍面臨技術(shù)難關(guān)
首先熱固性的聚合物不能直接加熱重新塑型，并且而且回收材料往往摻雜污染物，如金屬以及塑料的碎屑，如果想要讓目前的回收技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，就必須要解決成本問題，在2018車用材料(西青)國際論壇中來自諾丁漢大學(xué)的孟凡然教授帶來了他們的實(shí)驗(yàn)成果。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機(jī)械法、化學(xué)法以及熱解法，機(jī)械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復(fù)合材料的回收，且化學(xué)法回收仍然局限于實(shí)驗(yàn)室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復(fù)合材料回收技術(shù)。
實(shí)驗(yàn)所采用的是熱解法中流化床的回收工藝，首先將廢料裝填進(jìn)流化床，流化床經(jīng)過500度以上的高溫，回收的聚合物通過氧化清除之后，剩下的就是碳纖維。碳纖維再經(jīng)過回收流程予以收集，剩下的廢氣可以進(jìn)行循環(huán)，整個流程可以回收廢物當(dāng)中的碳纖維，有效的分離污染物和碳纖維，包括其中的雜質(zhì)。并且利用廢氣的循環(huán)降低整個流程的耗能，實(shí)現(xiàn)了能量回流，擁有良好的市場前景。
不過回收的碳纖維和傳統(tǒng)材料是不一樣的，不能直接用于最終產(chǎn)品的制造，要用回收的碳纖維去進(jìn)行中間的處理，包括纖維的分布、懸浮、熱干燥等過程，最后還需要將得到的碳纖維進(jìn)行排列，利用旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)箍可以對纖維的方向進(jìn)行校正和統(tǒng)一，最后得到經(jīng)過調(diào)整和排列的碳纖維材料，用來生成高強(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料。
從回收料分解到后面復(fù)合物生產(chǎn)以及機(jī)動車零部件生產(chǎn)，很多的變量都影響著回收的成本，包括輸送廢料的速度以及廢料的品質(zhì)，送料較快時能量消耗明顯減少。
同時，如果從全生命周期來看，再生碳纖生產(chǎn)的整車燃油經(jīng)濟(jì)性為20%到60%不等，回收的復(fù)合物可以降低溫室氣體排放，在進(jìn)行排列之后能夠帶來更高的強(qiáng)度，再生碳纖維的性能相較傳統(tǒng)材料，依然有明顯的優(yōu)勢。
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