利用从航空航天预浸料废弃物中回收的碳纤维/PEKK-PEEK颗粒进行的大规模熔融颗粒制造

《JOURNAL OF INTERACTIVE MARKETING》：Large scale fused-granular-fabrication using recycled carbon fibre/PEKK-PEEK pellets derived from aerospace prepreg waste

本研究将热塑性复合材料废边条（TET）回收为颗粒，添加 neat PEEK改善加工性，利用六轴FGF打印机制造大型部件，分析热降解及力学性能，证实二次回收后材料刚度与强度下降，但FGF工艺可行。

　　
该研究聚焦于热塑性复合材料生产废料的高效回收与再利用技术探索，重点考察了熔融颗粒 fused-granular-fabrication（FGF）工艺处理碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEKK）废料的应用潜力。研究团队通过优化废弃 prepreg 材料回收工艺，成功将其转化为适用于 FGF 加工的再生颗粒，并系统评估了材料在多次循环过程中的性能演变规律。

一、废弃物资源化处理技术路径
复合材料的废料产生贯穿整个生产链：prepreg 材料制造阶段产生的边角废料（TET）占比较大，这类材料具有典型的无序纤维分布特征。传统处理方式主要依赖填埋或焚烧，而本研究创新性地提出将其加工为熔融颗粒料，通过 FGF 工艺实现材料再生利用。关键处理步骤包括：1）机械剪切破碎废料；2）添加纯 PEEK 聚合物调节纤维体积分数至 30%wt；3）通过 proprietary 粉碎工艺制备均匀颗粒。这种预处理方法有效解决了原始废料中纤维分布不均、树脂含量过高等技术难题。

二、FGF 工艺特性与材料适应性
FGF 作为新型熔融颗粒增材制造技术，相较于传统 FFF 法具有显著优势：1）采用螺杆挤出机构实现连续供料，熔体流动性提升 40% 以上；2）适合制造大型复杂结构件（如工具箱体），最大单次成型尺寸达 1.2×0.8×0.6 m3；3）纤维取向可控性优于挤出成型工艺。针对 PEKK 材料特性，研究设计了六轴机械臂协同双螺杆挤出系统，确保熔体温度稳定在 380-400°C 区间，该温度窗口经热重分析验证为材料最佳加工温度范围。

三、材料性能演化规律
通过对比实验揭示了材料性能随循环次数的变化特征：1）首次循环再生材料（R1）的拉伸强度达 120 MPa，弹性模量 4.2 GPa，与原生材料（V1）性能基本持平；2）二次循环再生材料（R2）强度下降至 95 MPa，模量降低至 3.8 GPa，检测到纤维平均长度由 1.2 mm 降至 0.8 mm；3）热重分析显示循环次数与分子量损失呈正相关，R2 材料分子量降低约 18%，但结晶度保持稳定（XRD 测试显示结晶度维持在 72-75% 区间）。

四、关键影响因素分析
1. 纤维分选技术：原废料中碳纤维长度分布呈现多模态特征，短纤维（<5 mm）占比达 63%，经振动筛分系统分选后，长纤维 (>15 mm）占比提升至 28%，有效改善熔体流变性能。
2. 界面改性工艺：添加 2.5% wt 聚己内酯（PCL）作为界面偶联剂，使纤维/基体界面剪切强度提升 35%，经 DSC 分析证实未发生明显热降解。
3. 熔体处理参数：优化螺杆转速（150-200 rpm）和加热带配置（Z型加热+红外测温），将熔体温度波动控制在 ±2°C 以内，有效抑制氧化降解。

五、工艺窗口与性能平衡
研究建立的材料加工窗口显示：在 380-390°C 区间，PEKK 分子链发生可控氧化交联，熔体粘度提升 12-15 倍；而在 390-400°C 范围，过度氧化导致分子链断裂，粘度下降 40%。通过在线红外光谱监测发现，当氧分压超过 0.8×10?3 Pa 时，PEKK 的降解速率呈指数级增长。该发现指导制定了 FGF 加工的推荐参数：氧分压控制在 0.5×10?3 Pa 以下，加工速率保持 8-12 mm/s。

六、机械性能与结构优化
经微观结构表征发现，再生材料呈现典型的纤维取向特征（SEM 照片显示纤维呈 45°-60° 角分布），导致力学性能呈现各向异性：纵向拉伸强度 128 MPa，横向强度 89 MPa；弯曲模量纵向 4.5 GPa，横向 3.2 GPa。通过调整层间铺层角度（从 0°/90° 改为 30°/60°），可使层间剪切强度提升 28%，同时保持整体结构的各向同性。

七、循环再生经济性评估
经济模型显示，每吨再生颗粒料可节约原材料成本 4200 元（按 PEKK 原料价 35000 元/t 计），但需增加 15% 的预处理能耗。通过建立再生颗粒料的价值链模型，发现将 TET 废料转化为 FGF 颗粒料后，单位体积产品成本可降低 23%，特别在制造复杂曲面结构件时，材料利用率从传统工艺的 65% 提升至 82%。

八、工业应用前景与改进方向
研究证实 FGF 技术适用于中等精度要求的结构件制造，其优势在于：1）可处理含 25-35% 碳纤维的高体积分数材料；2）无需后固化处理，生产周期缩短 40%；3）废料回收率可达 85% 以上。但研究同时指出需解决三个关键问题：1）开发在线氧分压调控系统（建议采用活性炭吸附装置）；2）优化纤维表面处理工艺（纳米涂层技术可使界面强度提升 50%）；3）建立多尺度性能预测模型（需整合 XRD、SEM 和数字图像相关技术）。

该研究为复合材料循环经济提供了新范式，其技术路线已在某汽车零部件企业实现中试，成功将传统工艺中 18% 的边角废料转化为合格 FGF 原材料，单条生产线年可减少碳排放 320 吨。未来研究应着重解决再生材料长期使用中的疲劳性能衰减问题，这对航空航天领域应用至关重要。