随着碳中和政策的持续推进，航空航天、汽车工业、风电叶片等行业对于碳纤维复合材料的需求量也与日俱增。而碳纤维复合材料多采用热固性聚合物（环氧树脂、不饱和聚酯、酚醛树脂等）作为基体树脂，其固化成型后形成三维交联网状结构，无法再次模塑或加工，难以处理。随着碳纤维复合材料的广泛应用，各行业产生的大量废弃碳纤维成为阻碍碳纤维应用和发展的重要问题，开发低成本、绿色化废弃碳纤维复合材料回收及再利用技术刻不容缓。

图1. 碳纤维复合材料闭环回收再利用示意图

  再生碳纤维作为复合材料废弃物中最具价值的回收产物，与原始碳纤维相比具有较高的强度、模量保留率且成本低廉，但是通常呈现为短切蓬松不连续的状态，导致其很难再次加工成型为高性能复合材料，大大限制了其再利用价值。北京化工大学贾晓龙教授、杨小平教授团队从2014年开始致力于探究再生碳纤维高效、高值化再利用技术，经过多年的研究，成功开发了流场分散、取向的新方法并形成了中试级别的工业生产线实现了再生碳纤维取向毡的规模化连续制备。此外，该团队通过合理利用再生碳纤维优异的导电、导热性能，开发了结构-功能一体化再生碳纤维复合材料，进一步提高了其再利用价值。前期，该研究团队通过再生碳纤维表面改性实现其流场分散和与树脂界面结合性能的协同改善，实现了复合材料机械性能的大幅提升，并初步探索了其在电磁屏蔽领域的应用（Composites Part B: Engineering, 2020, 193: 107987）。

  近期，该团队开发了基于磷酸分解和流场取向的碳纤维高效闭环回收再利用方法，高度取向结构赋予再生碳纤维毡各向异性及结构可设计性，实现了再生碳纤维复合材料高性能化。采用磷酸分解复合材料废料可以得到树脂降解物以及性能保留率很好的再生碳纤维。此外，磷酸分解液经CH2Cl2萃取去除分解的有机产物后仍具有良好的分解效果，证明了该方法的可循环性。得到的再生碳纤维首先被均匀分散在分散液中，然后分散液利用自重通过狭缝，在此过程中流场剪切作用对其进行取向排列，后续进行抽滤和烘干实现再生碳纤维取向毡连续规模化制备。

图2. 基于磷酸分解和流场取向的碳纤维高效闭环回收再利用方法

图3. 再生碳纤维取向原理及100m长的取向毡

  通过自重狭缝流场取向法制备得到的再生碳纤维取向毡长度连续，宽度可达30-1000mm，平均取向度超过80%，此外，再生碳纤维表面相对清洁，没有过多的分散剂残留。

图4. 取向结构对复合材料的力学性能影响

  高度取向的再生碳纤维不仅可以大大增加复合材料中纤维的体积分数，而且可以充分发挥纤维的各向异性特性有助于复合材料的结构设计。复合材料的拉伸和弯曲测试表明，取向毡合理的铺层设计有利于复合材料面内和层间更均匀的应力传递，从而提升再生碳纤维复合材料的机械性能。

  此外，取向结构对于再生碳纤维复合材料的电性能也有较大影响，沿纤维方向的导电率大幅提升，使得设计再生碳纤维取向毡铺层结构以强化复合材料电磁屏蔽性能成为可能。

图5. 取向结构对复合材料的电磁屏蔽性能影响

  这种规模化流场取向方法不仅将短切蓬松不连续的再生碳纤维转化为规则有序的连续取向毡增强体，还可以利用其各向异性对复合材料进行结构设计，最后实现再生碳纤维复合材料的结构-功能一体化提升，大大提高了再生碳纤维的再利用价值，对于碳纤维复合材料高效回收再利用具有重要的工程意义。

  以上研究成果以“Phosphoric acid derived efficient reclaimation of carbon fibre for re-manufacturing high performance epoxy composites reinforced by highly-aligned mat with optimized layup”为题，受邀发表于Composites Part B: Engineering回收利用专刊（Composites recycling）上。北京化工大学还献华博士和吴天宇博士为论文共同第一作者，通讯作者为北京化工大学贾晓龙教授。

  该研究受到国家重点研发计划（No. 2019YFB1504800）、北京市自然科学基金（No. 2192044）、中央高校基本科研业务费（No. XK1802-2）、2019年北京化工大学青年英才计划、有机无机复合材料国家重点实验室开放基金（No. Oic-202001008，Oic-202101008）等项目资助。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108656