IF：79.8！上海交大/华中科大合作，Nature系列综述！

纤维增强聚合物复合材料的回收和挑战

纤维增强聚合物被广泛应用，且废弃物增长迅速。应有针对性地选择合适的回收技术，将纤维增强聚合物废弃物重新整合到可持续产业中，生产高质量的工业产品，并推动纤维增强聚合物更广泛的回收。近日，上海交通大学Li Huanyu、杨健和华中科技大学段华波合作，在Nature Reviews Materials发表题目为“The challenge of recycling fast-growing fibre-reinforced polymer waste”的评论文章，为这一领域发展，提供新思路，第一作者为Li Huanyu和Zhang Ning。

纤维增强聚合物复合材料（FRPs）主要由纤维增强材料、无机填料和热塑性或热固性基体组成。自20世纪40年代问世以来，FRPs已成为建筑、交通、电子和风能等行业不可或缺的产品。根据JEC集团的一份报告，全球复合材料市场预计到2027年将达到约1510万吨。该市场主要由玻璃纤维、天然纤维和碳纤维增强的产品主导，其中玻璃纤维的市场份额超过90%。

FRPs有助于实现全球可持续发展目标，提供减少能源消耗和碳排放的被动和主动策略。由于其密度低、强度高，使用FRP产品可以减轻机械设备的重量，从而提高工业生产的灵活性，并使电力使用量减少30%；交通工具和飞机的重量可以减轻60%至80%，从而降低其能源消耗，有利于被动减碳。此外，FRPs可用于建造新型耐用基础设施和修复现有结构，从而提高建筑物的耐久性，并减少对能耗高的水泥的需求。FRP还用于风力发电机的叶片，积极促进绿色发电。

FRP循环的挑战

纤维增强聚合物的广泛使用导致了废弃物的产生。传统的处置方法，如填埋和焚烧，会污染水源和土地，并释放有害气体。此外，在某些复合材料（如电路板）中使用FRPs会影响其他有价值材料或元素的分离和回收。

大多数FRP材料由热固性基体制成，其交联聚合物网络难以分解，这与可回收的热塑性材料不同。此外，向FRP中添加阻燃材料会降低其回收价值，增加回收难度，并在回收过程中加剧二次污染。一个典型的例子是，曾在电子行业广泛使用的溴系阻燃剂在FRPs中的应用。尽管已经对废弃FRPs的回收进行了大量研究，包括机械、热和化学技术，但有效的FRP回收技术和策略仍然缺乏：在大多数情况下，聚合物基体无法完全回收，并且对于不同类型的FRP废弃物，其分类过程、回收方法、妥善处理和应用渠道也缺乏明确的标准和指导。

值得注意的是，FRPs占风力发电机所用材料的70%以上。风能的广泛应用导致了FRP废弃物数量的激增——据估计，到2050年，每年将产生超过200万吨的风力发电机叶片废弃物。因此，风力发电机的回收至关重要，但混合纤维和热固性基体的使用使其变得复杂。大多数退役的风力发电机，尤其是叶片，要么被填埋，要么在建筑行业中低效再利用。

总体而言，FRP废弃物的回收已成为全球亟待解决的废物管理问题。但我们相信，通过设计精良、以价值为驱动的回收途径，通过高质量回收技术的进步，以及通过为其设计、回收和应用建立全面的框架，废弃FRP产品将受益匪浅。

价值驱动的循环路径

目前大多数的回收方法主要侧重于采用传统机械手段回收纤维。玻璃纤维增强聚合物衍生的富含纤维的组分常被用作低价值建筑材料（如水泥基或沥青基复合材料）中的填料。特别是在降级回收玻璃纤维时，可以通过筛分对机械回收得到的富含纤维的物质进行分选，并通过表面处理进行优化，以提高其应用效率。然而，回收纤维的应用途径往往复杂，在某些情况下效率不高。

最终产品的价值应与回收纤维的内在价值相匹配。为了充分发挥高价值回收碳纤维的潜力，可以采用热解、溶剂分解和电化学处理等回收方法，以保持碳纤维的机械性能。尽管这些过程可能能耗较高，但其高效性为未来发展提供了有前景的途径。此外，回收的碳纤维可以掺入附加值复合材料中，如轻质FRP产品、智能导电建筑材料以及3D打印聚合物、陶瓷或混凝土。总之，应通过使回收纤维的价值与预期最终产品相匹配，来建立高效的纤维回收策略。

FRP的高质量循环

大多数针对纤维的回收方法无法保证复合材料的完全回收，通常会导致聚合物组分被丢弃或仅部分用作燃料。理想的FRP高质量回收过程应能回收并利用纤维和聚合物组分，以最大限度地减少资源和能源的损失。水泥窑回收是实现废弃FRP完全回收的最有前景的途径之一：在此过程中，无机物质可转化为水泥的原料，而有机组分则可作为水泥生产过程中的能源。然而，FRP废弃物在水泥窑中替代燃料输入的能力受到氧化硼含量的限制，因为E玻璃纤维中存在的硼可能会损害水泥的质量。

最近，有报道称在风力发电机叶片的高质量回收方面取得了突破，该方法基于钌催化，可断裂聚合物复合材料中的C-O键，产出高价值的双酚A，同时回收玻璃和碳纤维。但是，如果要使用该方法实现风力发电机叶片的大规模高质量回收，就必须开发兼顾效率和成本的工程策略。这些策略应侧重于替代该过程中稀有且珍贵的钌金属，并开发可从实验室规模扩展至工业生产的连续反应设备。

采用FRP设计，实现高效回收

FRP产品需要被高效拆解，并根据纤维的不同价值引导至相应的回收途径。这意味着应明确标记产品中不同纤维增强的区域，并标准化复合材料的设计以促进分割。例如，可以设计易于分割的混合纤维增强风力发电机叶片，使高价值的碳纤维能够从低价值的玻璃FRP中分离出来，分别进行热回收或化学回收，而玻璃FRP则可进行机械回收。

从材料角度来看，可以在热固性树脂的交联网络中引入可裂解或动态键，以制造新型FRP复合材料，从而实现基体的有意裂解和闭环回收。对这种可回收热固性复合材料未来发展的研究可以重点关注其在水性介质中的稳定性，以及提高回收过程中的解聚效率和单体回收率。

由于FRP产品的几何形状复杂，回收纤维的长度差异很大，这限制了可以使用这些回收纤维进行增强的新制造产品的尺寸和形状。因此，预计将会使用纺织技术来处理碎片化的纤维，使它们能够编织成股线或纺织品。这种方法旨在更有效地利用纤维的高强度，并克服回收纤维增强复合材料固有的尺寸限制。