再生碳纤维：现状与未来展望

再生碳纤维（rCF）的商业逻辑颇为复杂。行业建立在解决两大痛点的期许上：一是将碳纤维废弃物拒之垃圾填埋场之外，二是填补碳纤维供需潜在缺口。业内普遍估算，约 30% 产出的碳纤维最终沦为废料。与此同时，宝贵材料填埋之时，多数分析师认同：未来几年内，年需求量或将超越年产能。据 Hexcel 全球纤维总裁 Brett Schneider 与 CarbConsult GmbH 董事总经理 Dan Pichler 在 2018 年 12 月碳纤维大会披露，全球碳纤维年均需求约 6.5-8.5 万吨，名义产能（高于实际产能）约 15 万吨。据《CW》撰稿人 Amanda Jacob 3 月报道，部分分析师预测 2022 年碳纤维需求将比供应多出约 2.4 万吨（见《建立对再生碳纤维的信心》）。

商业化 rCF 供应商将回收再利用材料视为填补供需缺口的潜在方案，但 rCF 行业自身挑战重重。碳纤维复合材料回收技术虽存在数年，能产出力学性能接近原生材料的产品，但复合材料回收产业尚年轻，仍处于为其再生材料开发市场的早期阶段。随着回收商产出纤维质量信心增强，成本与供应问题凸显。最大挑战在于供应链安全性担忧。

"技术其实已就绪，且存在许久，但供应链未经验证，" Vartega CEO Andrew Maxey 直言，"缺关键拼图，再好的技术也无米下锅——既无料可回收，也无产品可用。"

商业供应商常将目光投向航空航天业，寻求生产废料与退役材料作为再生原料。虽航空航天废料填埋量大，但众多 OEM 与加工商不愿依赖其作为大批量产品线的稳定来源。

好在进展已现。2018 年 12 月，波音宣布向碳纤维回收专家 ELG Carbon Fibre Ltd.（英国 Coseley）供应固化/未固化碳纤维废料，经回收用于其他复合材料制造应用的二级产品。这是碳纤维回收商与主流飞机 OEM 首次建立正式供料关系，释放积极信号。

不止环保考量

采用 rCF 的理由超越可持续性。降本也是优势。例如 ELG Carbon Fibre 的 rCF 成本比工业级原生碳纤维低约 40%。其他商业供应商称其材料比原生碳纤维便宜 20%-40%。且许多应用需短切纤维形式——这暗示 rCF 可为原生材料提供更可持续、更经济的替代。

"凡行业使用不连续或短切碳纤维之处，再生纤维应为首选，" Maxey 主张，"我们花大价钱将原生碳纤维做成连续形式……为何再把它切碎填入热塑性塑料？若废料本身已是不连续形式，那才是此类模塑料的最佳原料，反正最终都要切碎。"

且产出 rCF 质量在某些案例中已达原生纤维水平。ELG Carbon Fibre 采用热解法回收，称其纤维通常保留至少 90% 抗拉强度，模量不变。Vartega 用化学回收法，声称其纤维力学性能与原生碳纤维相当。Shocker Composites（美国堪萨斯州威奇托）采用在线溶解法，宣称高质量且纤维无明显损伤。

ELG Carbon Fibre 的再生碳纤维无纺毡。

CW 照片 | Scott Francis

据威奇塔州立大学博士生、Shocker Composites 创始人 Vamsidhar Patolla 称，挑战在于将成本压至与铝等材料相当。"工艺需匹配大批量生产规模，" 他表示。Shocker Composites 的在线工艺具此优势，非批次式（详见《碳纤维可持续在线回收》）。

近几年 rCF 加工与纤维质量显著提升后，商业供应商开始将重心从 rCF 降级应用转向寻找能发挥其性能优势的合适应用。

"我们永远无法完全取代原生纤维，尤其在高强高模要求的航空航天领域，但人们开始接受再生纤维非弱势材料，" ELG Carbon Fibre 现场技术服务工程师 Benjamin Andrews 表示，"它在某些应用中拥有超越原生纤维的自有优势。铺贴性与表面光洁度均优于原生纤维……这非单纯可复用材料，而是自带优势的材料。"

汽车领域如何？

论市场潜力，汽车业似乎最适配 rCF。材料兼具轻量化与良好表面光洁度，天然适配车身面板及内饰件。商业供应商长期期盼汽车业规模化采用，但拐点未至。工艺周期与成本仍是拦路虎。

Carbon Conversions（美国南卡罗来纳州湖城）CEO Mark Mauhar 认为这些担忧略显借口，鉴于已有进展，他认为采用障碍实为风险规避心理。

"没人愿成新材料生态首食螃蟹者，" 他言。他也强调汽车业大规模采用 rCF 未必可取，指出十几个主流车型平台采用即可迅速耗尽全球 rCF 供应。主张切入利基项目，从商业视角强健供应链。

采用 Carbon Conversions 再生 Evo MCF 制备的预浸料制成的汽车车门板。

CW 照片 | Scott Francis

"汽车应用要精明选点，" 他言，"在特定车型的特定部位用，才讲得通。"

Mauhar 期待汽车业在 24 个月内开始消费相当比例的可用 rCF。复合材料正以电池箱、储氢罐、叶片弹簧、尾门系统等零部件形式渐次切入汽车业，rCF 自会随之渗透。

此压缩模塑汽车地板采用 Carbon Conversions 的 re-Evo MCF 无纺毡。

CW 照片 | Scott Francis

ProDrive Composites（英国米尔顿凯恩斯）便是利基策略典范。其与谢菲尔德大学先进制造研究中心（AMRC）及 ELG Carbon Fibre 合作开发 P2T（初级至三级）工艺，用反应性热塑性树脂制造可回收复合部件。塑料单体在催化剂与再生纤维共存下反应，非热压罐即成固化层板。

ProDrive P2T 工艺生产的三级部件示例。

CW 照片 | Scott Francis

"我们已证明可回收复合板材能以适配多行业的速率与成本生产，" ProDrive 首席工程师 John McQuilliam 说。P2T 让复合材料可循环利用三次以上。初级部件寿命终结时，纤维与树脂均可回收，供热塑性二级部件（如车身面板）用料；二级部件报废后可切碎重塑为新件（详见《P2T 工艺定位回收应用》）。

同时，Vartega 牵头美国先进复合材料制造创新研究院（IACMI，田纳西州诺克斯维尔）汽车专项项目，两年技术协作旨在攻克制造稳定 rCF 增强热塑性塑料用于车身轻量化的挑战。Maxey 称项目推进稳健，正构建从纤维界面到成品性能的全维表征数据集。

考量汽车业，最佳押注或在于相关新兴技术。电动车、自动驾驶、车联网带来新部件与应用机遇，复合材料大有可为。

Maxey 判断汽车业走向："过去几年汽车业动荡，轻量化动力随法规与政府更迭切换，" 他言，"虽未见轻量化大幅回撤，但动机可能演变。行业将聚焦移动出行场景的轻量化。"

航空航天能闭环吗？

航空航天产出最多碳纤维废料，商业 rCF 供应商常以此为再生料源。超量材料通常为未固化热固性预浸料，经热解或溶解去除树脂得纤维，再粉碎、短切或造粒。

随热塑性复合材料（TPC）普及，回收机遇新生。热塑性聚合物可熔融重塑，航空航天业有机会将部分废料内循环至二级应用，潜在复用纤维与基体。Thermoplastic Composites Application Center（TPAC，荷兰恩斯赫德）研究员 Thomas de Bruijn 指出业内正推进内部回收。

"从可行性看，热塑性复合材料内部回收更合理，" 他言。

de Bruijn 称飞机 OEM 更倾向内部回收而非商业 rCF 供应商。核心在于追溯性。供应外包后，将聚合物类型与特定应用匹配难度剧增。

GKN Fokker（荷兰霍赫费恩）工程应力专家 Johan Meuzelaar 主张在自有生产环境中寻找尽可能多的应用。"看我们用原生材料做的热塑性部件，其中许多可用再生料替代，足以消纳我们产生的大量废料。"

"我们已有设施，" 热塑性复合材料研究中心（TPRC）工程师 Guillaume Vincent 补充，"内部回收融入常规工艺链，大部分配备就绪，性价比最高。适配正常生产环境活动。"

  TPC-Cycle 回收路线

来源 | TPRC, TPAC

de Bruijn、Vincent 与 Meuzelaar 参与 TPAC 与 TPRC 运营的 TPC-Cycle 项目，旨在将热塑性复合材料加工废料用于航空航天及大批量应用。目标是保持高力学性能、降低环境影响且成本可控。TPC-Cycle 循环周期短，能生产复杂形状。

采用 TPC-Cycle 工艺开发的旋翼机检修面板演示件。

来源 | TPRC, TPAC, GKN Fokker

多家产业伙伴参与，涵盖材料、制造、设计、应用全链条：GKN Fokker、Toray Advanced Composites（美国加州摩根希尔/荷兰奈维达尔）、Cato Composite Innovations（荷兰雷登）、Dutch Thermoplastic Components（荷兰阿尔梅勒）、Nido RecyclingTechniek（荷兰奈维达尔）。

de Bruijn 称项目正开展成本分析与生命周期分析，验证经济性。

此外，清洁天空 2 联合项目（欧盟地平线 2020 计划资助）鼓励聚焦航空航天废料闭环的研发。OEM 瞄准用再生工厂废料做内饰件、检修面板、小部件甚至机身夹具与系统支架。

GKN Fokker 热塑性多功能机身演示器下半身项目经理 Dr. Bas Veldman 发起清洁天空 2 夹具与支架征集提案。演示器重点在于用工厂废料制造机身夹具、支架等以降环境影响，并以焊接替代紧固件，节省材料、能源、成本并助轻量化。

Meuzelaar 称 GKN Fokker 正探讨回收技术如何融入 "未来机身" 概念。该概念或大量用热塑性复合材料，进而产生大量废料，可用于再生支架、配件及非结构件。

"选热塑性机身因成本，我们认为这是经济生产法，且内含回收，" 他言。

Meuzelaar 认为高层目标是让航空航天产品更经济、更可持续。热塑性复合材料批产推进虽会产废（复合材料通病），但他认为废料可商业化变现。低剪切混合/压缩模塑再生碳纤维 TPC 赋予传统连续纤维铺层不具的设计自由度。"你获得大量额外选项制造非常有吸引力的非结构件，如面板、小整流罩、系统支架——这些在航空航天常因材料、合金、生产系统过度设计。"

他认定机遇主要在于中等尺寸、中等复杂度的非结构件，虽非主承力但占大部件总成本显著比重。

"近期不会用再生热塑性做机翼，" Meuzelaar 说，"但机翼内部有件能算经济账的部件。"

虽内部回收热情高涨，但总有部分废料不可用或加工商不愿/不能内部回收。此类材料或由材料供应商回收。热塑性复合材料普及对供应链影响，时间将给答案（详见《生产用再生热塑性复合材料》）。

增材制造

增材制造亦是 rCF 潜力领域。例如 Shocker Composites 将再生碳纤维复合成 20-40% 增强 ABS 丝材，在 Cincinnati Inc.（美国俄亥俄州哈里森）大面积增材制造（BAAM）3D 打印工艺验证成功。

此外，Vartega 利用其回收技术与材料开发专长，推进粉末床熔融增材制造用聚合物原料开发。近获美国国家科学基金会（NSF，弗吉尼亚州亚历山大）小企业创新研究（SBIR）拨款，开展该领域研发。

Vartega 称正开发工艺，让热塑性粉末经碳纤维增强，确保材料在红外增材系统产出功能件。此进展将让数字化制造商充分释放新粉基硬件平台潜能，在中批量生产率下产出性能媲美注塑件的部件。

"提供碳纤维增强聚合物粉末，让无人机、医疗假体等领域制造商享受快速、复杂、定制化 3D 打印红利，同时确保材料具备产品所需结构完整性，" Vartega 首席运营官 Alice Havill 表示。

其他应用

与此同时，rCF 可发挥作用的市场与应用持续涌现。

此建筑级交叉层压木材（CLT）结合热改性木材与复合材料回收技术中心的再生碳纤维。

来源 | 复合材料回收技术中心

复合材料回收技术中心（CRTC，美国华盛顿州安吉利斯港）探索 rCF 多元产品应用：从公园长椅到高性能运动器材再到复合管材。原料来自 Toray Composite Materials America（美国华盛顿州塔科马）的未固化预浸料废料及 ELG Carbon Fibre 的 rCF。

CRTC CEO Dave Walter 看好建筑业增长潜力。公司近期开发专利待批建筑级交叉层压木材（CLT），结合热改性木材与再生碳纤维。热改性工艺析出糖与木素，赋防腐防白蚁性，再植入碳纤维条增强强度。

CRTC 还用再生碳纤维制木皮贴面板，以轻强柔基材呈木材之美，适配多元内外部应用，如下图 2019 年西雅图 Benaroya Hall 安装案例。

八度九 Raisbeck 音乐中心——Benaroya Hall（美国华盛顿州西雅图）

照片 | 复合材料回收技术中心

行业认知的转变？

大变革往往渐进，年轻的 rCF 行业稳步前行。降级应用虽存，但材料认知开始转变。纤维质量获验证，工艺持续进化。回收碳纤维必要性共识高涨，更多玩家入局。

"ELG 与波音公告意义重大；推动所有人向前，加速供应链连接，" Maxey 评价。

"我们致力于赋能与连接，" 他总结行业现状，"我们拥有处于供应链中段的赋能技术，但关键在于将废料流中的搁置资产与下游未满足需求连接。"

Carbon Conversions 的 Mark Mauhar 称最大变化是供应商开始愿做解决方案一份子。"两年前我们每周接多个供应商处理废料电话，零意愿用材料，" 他回忆，"如今人们开始言行一致。近期终于见潜在再生碳纤维客户投入大量资源开模、做原型样机、解决工艺问题——这些都是商业化采用后期的动作。"

或归根结底需耐心。ELG Carbon Fibre CEO Detlef Drafz 建议参考传统材料回收史。

"ELG 为不锈钢业回收原料超 50 年。金属回收料甚至用于涡轮叶片真空炉……公认妥善处理的再生金属即合格原料。25 年前航空航天不认可，但我们建立供应链并保证性能。我们在复合材料上照做。"