塑膠專欄
複材回收技術介紹
複合材料
一、前言
根據2011年全球管理諮詢和市場研究公司Researchandmarkets發佈之《2012~2017連續纖維補強熱塑複材市場:趨勢、預測和機遇分析》報告指出,預估未來5年全球連續纖維補強熱塑複材(CFRTP)市場將以8.6%的年複合成長率增長, 2017年預期可達到1.918億美元。
伴隨著複合材料需求量與應用逐漸增加,相關複合材料廢棄量亦隨之上升,預估僅歐洲市場於2015年熱固玻纖複材廢棄物將達到30.4萬噸;美國FRP廢棄量預估於2017年將會接近200萬噸;Osmani與Asokan學者亦預估英國GFRP廢棄量每年上升幅度會達到10%的增幅。故複合材料廢棄物的處理機制為日漸重要的議題,為使符合減少環境上的汙染與資源在利用之目標,複合材料的回收技術為國際上紛紛投入研究之方向。
二、回收技術概述
複合材料應用在BMW電動車系列中結構材料使用以全面進行量產,使全球複合材料需求與產量逐漸上升,伴隨而至廢棄量逐漸升高,以往由於使用量不高,常見回收方法以掩埋法為主,現今增幅預估下,掩埋法已逐漸無法負荷。故複合材料之回收技術逐漸為產業界所注重。
現有回收技術可分隨三大類型,分別為機械式、化學處理式、燃燒式回收技術,如下圖一。由於複合材料可分為熱固型與熱塑性複合材料,其中如熱固型複合材料主要使用燃燒式回收技術與機械式回收技術,化學處理式回收技術尚待發展,而熱塑性複合材料則三種類型均能應用,下列文章中,我們就回收技術進行詳細探討與分析。

圖一、複合材料回收技術類型
三、機械式回收技術
複合材料透過裁切與粉碎等方式,可將廢棄複合材料進行再利用,簡易流程圖如圖二。

圖二、機械式回收技術
複合材料回收部件經過粉碎加工可形成複材粉體,熱固性複材粉體常可見使用於填充材中,如水泥中常添加熱固性複材粉體,以增加水泥強度;熱塑性複材粉體則可選擇使用為填充材,或為補強材,透過添加同類型塑料之配方,可讓碳纖維粉體形成補強塑料之效果,並可進行回收利用,製程上評估可利用於射出、混鍊、熱壓…等常見製程。
熱塑複材回收部件另可經過特定尺寸裁切後,可形成高比例長纖維之方形顆粒,可經過射出、熱壓…等方式,預期獲得較一般粉碎法及常見SFT材料所製備之高機械性質產品。
四、化學式回收技術
由於複合材料為樹脂與纖維結合而成之產品,而樹脂均為有機高分子所構成,透過官能基反應而進行聚合所合成,常見熱固型Epoxy樹脂結構與反應如下圖三、圖四。以特殊溶液添加使聚合之官能基發生逆反應,使高分子聚合物產生分解,回復到單體分子或小分子量之分子,達到分離樹脂與纖維的目的,但目前該技術屬發展中之技術,僅於複材展中發表過相關技術,且後續特殊溶液需要專門收集與處理。

圖三、常見Epoxy樹脂結構

圖四、Epoxy聚合反應式
常見使用化學式回收方法如下圖五與表一所示:

圖五、化學式回收技術
表一、化學式回收方法

主要分為超臨界流體與溶劑分離法兩種方式,超臨界流體分解於建製成本上需求較高,但回收之碳纖維損傷較小,且強度可仍保有原本強度,但目前回收應用由於機台限制,目前僅限於粉碎料之回收分離;溶劑分解法則可分為常壓與加壓方式兩種,加壓方式目前亦受限於機台限制,仍僅能以粉碎料進行回收,且其溶劑亦需要用專用糖酵解溶劑進行聚合高分子還原,常壓方式分解則需要添加特殊催化劑以加速聚合高分子之分解,可應用於長纖維產品中,但碳纖維物性會因反應溶劑與催化劑協同作用下受到傷害,造成一定幅度的強度下降。
五、燃燒式回收技術
燃燒式回收技術亦由於樹脂屬聚合高分子,其熱解溫度與纖維差異極大,故可透過燃燒熱解方式將兩者進行分離,達到碳纖維回收的效果,燃燒式回收技術如下圖六所示。

圖六、燃燒式回收技術
常見使用燃燒式回收方法如下表二:
表二、燃燒式回收方法
目前可分為氣相及液相兩種熱解法,其差異在於溶劑與催化劑使用,以及回收得到之單體種類而分類為氣相與液相兩種,但投入回收之碳纖維僅能以粉碎方式進料,並回收得到之碳纖維會因樹脂熱解時,連帶造成碳纖維之損傷,導致整體纖維強度下降約10~20%。
六、小結
現行三類型回收技術於應用上均可達到回收的效果,考量台灣產業型態之組成,國際上泛用之燃燒式回收方法並不適用,其所需成本及設備系統均需有大型企業支持較能完整建構整套系統。目前於產業中可進行為機械式回收技術與化學式回收技術此兩大類型,機械式回收技術應用於熱塑性複合材料回收上,有粉碎與裁切兩種回收方式,於回收後段應用可有較高彈性與選擇性,其設備建製上亦較容易達成;化學式回收技術於產業上則仍尚屬待發展之技術,需針對樹脂系統與溶劑、催化劑選擇進行設計,以達到最大分解與回收效益。
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根據2011年全球管理諮詢和市場研究公司Researchandmarkets發佈之《2012~2017連續纖維補強熱塑複材市場:趨勢、預測和機遇分析》報告指出,預估未來5年全球連續纖維補強熱塑複材(CFRTP)市場將以8.6%的年複合成長率增長, 2017年預期可達到1.918億美元。
伴隨著複合材料需求量與應用逐漸增加,相關複合材料廢棄量亦隨之上升,預估僅歐洲市場於2015年熱固玻纖複材廢棄物將達到30.4萬噸;美國FRP廢棄量預估於2017年將會接近200萬噸;Osmani與Asokan學者亦預估英國GFRP廢棄量每年上升幅度會達到10%的增幅。故複合材料廢棄物的處理機制為日漸重要的議題,為使符合減少環境上的汙染與資源在利用之目標,複合材料的回收技術為國際上紛紛投入研究之方向。
二、回收技術概述
複合材料應用在BMW電動車系列中結構材料使用以全面進行量產,使全球複合材料需求與產量逐漸上升,伴隨而至廢棄量逐漸升高,以往由於使用量不高,常見回收方法以掩埋法為主,現今增幅預估下,掩埋法已逐漸無法負荷。故複合材料之回收技術逐漸為產業界所注重。
現有回收技術可分隨三大類型,分別為機械式、化學處理式、燃燒式回收技術,如下圖一。由於複合材料可分為熱固型與熱塑性複合材料,其中如熱固型複合材料主要使用燃燒式回收技術與機械式回收技術,化學處理式回收技術尚待發展,而熱塑性複合材料則三種類型均能應用,下列文章中,我們就回收技術進行詳細探討與分析。

圖一、複合材料回收技術類型
三、機械式回收技術
複合材料透過裁切與粉碎等方式,可將廢棄複合材料進行再利用,簡易流程圖如圖二。

圖二、機械式回收技術
複合材料回收部件經過粉碎加工可形成複材粉體,熱固性複材粉體常可見使用於填充材中,如水泥中常添加熱固性複材粉體,以增加水泥強度;熱塑性複材粉體則可選擇使用為填充材,或為補強材,透過添加同類型塑料之配方,可讓碳纖維粉體形成補強塑料之效果,並可進行回收利用,製程上評估可利用於射出、混鍊、熱壓…等常見製程。
熱塑複材回收部件另可經過特定尺寸裁切後,可形成高比例長纖維之方形顆粒,可經過射出、熱壓…等方式,預期獲得較一般粉碎法及常見SFT材料所製備之高機械性質產品。
四、化學式回收技術
由於複合材料為樹脂與纖維結合而成之產品,而樹脂均為有機高分子所構成,透過官能基反應而進行聚合所合成,常見熱固型Epoxy樹脂結構與反應如下圖三、圖四。以特殊溶液添加使聚合之官能基發生逆反應,使高分子聚合物產生分解,回復到單體分子或小分子量之分子,達到分離樹脂與纖維的目的,但目前該技術屬發展中之技術,僅於複材展中發表過相關技術,且後續特殊溶液需要專門收集與處理。

圖三、常見Epoxy樹脂結構

圖四、Epoxy聚合反應式
常見使用化學式回收方法如下圖五與表一所示:

圖五、化學式回收技術
表一、化學式回收方法

主要分為超臨界流體與溶劑分離法兩種方式,超臨界流體分解於建製成本上需求較高,但回收之碳纖維損傷較小,且強度可仍保有原本強度,但目前回收應用由於機台限制,目前僅限於粉碎料之回收分離;溶劑分解法則可分為常壓與加壓方式兩種,加壓方式目前亦受限於機台限制,仍僅能以粉碎料進行回收,且其溶劑亦需要用專用糖酵解溶劑進行聚合高分子還原,常壓方式分解則需要添加特殊催化劑以加速聚合高分子之分解,可應用於長纖維產品中,但碳纖維物性會因反應溶劑與催化劑協同作用下受到傷害,造成一定幅度的強度下降。
五、燃燒式回收技術
燃燒式回收技術亦由於樹脂屬聚合高分子,其熱解溫度與纖維差異極大,故可透過燃燒熱解方式將兩者進行分離,達到碳纖維回收的效果,燃燒式回收技術如下圖六所示。

圖六、燃燒式回收技術
常見使用燃燒式回收方法如下表二:
表二、燃燒式回收方法

目前可分為氣相及液相兩種熱解法,其差異在於溶劑與催化劑使用,以及回收得到之單體種類而分類為氣相與液相兩種,但投入回收之碳纖維僅能以粉碎方式進料,並回收得到之碳纖維會因樹脂熱解時,連帶造成碳纖維之損傷,導致整體纖維強度下降約10~20%。
六、小結
現行三類型回收技術於應用上均可達到回收的效果,考量台灣產業型態之組成,國際上泛用之燃燒式回收方法並不適用,其所需成本及設備系統均需有大型企業支持較能完整建構整套系統。目前於產業中可進行為機械式回收技術與化學式回收技術此兩大類型,機械式回收技術應用於熱塑性複合材料回收上,有粉碎與裁切兩種回收方式,於回收後段應用可有較高彈性與選擇性,其設備建製上亦較容易達成;化學式回收技術於產業上則仍尚屬待發展之技術,需針對樹脂系統與溶劑、催化劑選擇進行設計,以達到最大分解與回收效益。