混合聚丙烯/回收碳纤维/麻纤维复合墙板的机械回收：压缩成型与注射成型的性能保持与损伤机制比较

《Polymer Composites》：Mechanical Recycling of Hybrid Polypropylene/Recycled Carbon Fiber/Hemp Composite Wall Panels: A Comparative Study of Compression and Injection Molding

　　

循环经济日益影响汽车、包装和建筑建造等行业。这些行业中循环经济的兴起，受到大量最终进入垃圾填埋场的废弃物的推动，从而导致更高的能源足迹。为应对这一挑战，循环经济通过回收、升级回收、再加工和修复来延长材料和部件的有效使用寿命，从而尽量减少废弃物并最大化资源效率。本研究聚焦于由聚丙烯（PP）、回收碳纤维（rCF）、麻纤维以及少量0.1 wt%的CO₂衍生多壁碳纳米管（MWCNTs）组成的复合墙板。基于前期经生命周期评价（LCA）支持的原墙板开发，CO₂衍生的MWCNTs作为少量固定组分被纳入。本研究主要关注由这些组成材料制成的复合墙板的回收。原始复合墙板被粉碎成可加工颗粒，并分别通过压缩成型和注射成型进行再加工。所得回收复合材料采用力学测试、差示扫描量热法（DSC）、基于微计算机断层扫描（μCT）的孔隙和纤维长度分布，以及基于扫描电子显微镜（SEM）的粉碎诱导损伤进行评价。与原墙板相比，压缩成型复合材料的拉伸强度和模量分别降低69%和57%，而注射成型复合材料分别降低38%和16%。压缩成型复合材料的弯曲强度和模量降幅更大，分别为87%和91%，注射成型复合材料分别为77%和81%。相反，压缩成型后冲击强度提高42%，但注射成型后降低47%。DSC显示，再加工后PP熔融转变得以保留，但粉碎后结晶度从30.6%略微降至27.5%，压缩成型后变化较大，而注射成型后增至38.4%。μCT结果显示，压缩成型和注射成型样品中孔隙率分别为21.14%和2.19%。总体而言，结果表明压缩成型保留了较长纤维长度，但导致高孔隙含量和结构不均匀性；而注射成型造成更大的纤维磨损，但孔隙含量更低，并更好地保持拉伸/弯曲性能。

循环经济推动材料回收、升级回收、再加工与修复，以减少填埋和碳足迹。热塑性复合材料因可回收性受到汽车、包装和建筑领域关注，但既有机械回收研究多集中于工业废料、汽车部件等，建筑用杂化复合墙板研究较少。前期以聚丙烯（PP，热塑性基体）、回收碳纤维（rCF，再生碳纤维增强体）、麻纤维及0.1 wt% CO₂衍生多壁碳纳米管（MWCNTs，一维多壁碳纳米材料）开发低碳墙板，生命周期评价（LCA，评估环境影响的方法）显示其具有降低全球变暖潜势的可能，但粉碎再成型后的可回收性尚未充分解决。为此，研究人员比较压缩成型与注射成型两种机械回收路线，考察纤维磨损、孔隙形成、结晶度变化和结构非均质性对性能保持的影响。研究表明，注射成型对拉伸/弯曲性能保持更好，压缩成型保留较长纤维但孔隙率高并提高冲击强度；两种路线均不能完全恢复原始结构性能，但回收物经应用验证后可考虑用于非结构建筑构件。

关键技术方法：研究人员以湿法成网制备rCF/麻纤维/PP/MWCNTs非织造毡并层叠热压成原始墙板（PP 60 wt%、麻纤维30 wt%、rCF 9.9 wt%、MWCNTs 0.1 wt%）；材料来源为MiniFibers Inc.的PP与麻纤维、Toray International America Inc.的rCF、SkyNano LLC的CO₂衍生MWCNTs。将墙板粉碎为2–5 mm颗粒，分别进行压缩成型（220°C、25 t）和注射成型（料筒190–220°C、螺杆60–100 rpm、模温30–50°C）。采用ASTM D638拉伸、D790弯曲、D256冲击、D2344层间剪切、差示扫描量热法（DSC，热分析）、微计算机断层扫描（μCT，无损三维成像）和扫描电子显微镜（SEM，微观形貌观察）表征。

研究结果：
3.1 拉伸性能：ASTM D638测试显示，压缩成型使拉伸强度、模量较原始分别下降69%和57%，注射成型下降38%和16%，差异显著；注射成型对拉伸性能保持更好。
3.2 弯曲性能：ASTM D790测试显示，压缩成型弯曲强度、模量下降87%和91%，注射成型下降77%和81%；弯曲性能降幅最大，注射成型保持相对较好。
3.3 冲击强度：ASTM D256测试显示，压缩成型冲击强度提高42%，注射成型下降47%，与拉伸/弯曲趋势相反，归因于压缩成型高孔隙和异质性促进能量耗散。
3.4 层间剪切强度：ASTM D2344短梁剪切显示，层间剪切强度（ILSS，评价层间抗剪性能的指标）由原始7.34 MPa降至压缩成型4 MPa（约下降46%）；注射成型因纤维严重磨损（可见约100–150 μm）未测ILSS，难以形成有意义的层间失效。
3.5 差示扫描量热法：DSC显示PP主熔峰约165–168°C保留；结晶度由原始30.6%降至粉碎后27.5%，压缩成型变异大（27.1%±10.7%），注射成型升至38.4%；说明再加工影响热响应，但性能损失不能完全归因于结晶度。
3.6 微计算机断层扫描：μCT显示原始、压缩成型和注射成型孔隙率分别为0.97%、21.14%和2.19%；压缩成型保留较长纤维但孔隙高、异质性大，注射成型纤维更短但孔隙低、分散较好。

讨论部分总结：粉碎导致纤维缩短及网络破坏是拉伸/弯曲性能下降的主因；压缩成型还因颗粒不规则、流动不足造成孔隙和异质性，注射成型的螺杆熔融混合降低孔隙并改善均匀性。粉碎机械应力使PP结晶度略降，压缩成型结晶度变异与高孔隙和非均质一致，注射成型则因剪切混合和流动诱导取向促进成核与重结晶；但力学损失主要归因于纤维磨损、纤维网络破坏、孔隙和加工异质性。粉碎高剪切造成分层、纤维断裂、材料损失及纤维-基体脱粘，破坏连续纤维网络并降低ILSS。冲击下孔隙可钝化裂纹尖端、增加断裂路径与能量耗散，且非均质促进多点多微裂纹，故压缩成型冲击强度反而提高。由于两种路线使用同一粉碎料，性能变化是粉碎损伤、纤维网络破坏、增强体类型、孔隙和加工路线的综合效应；压缩成型颗粒形状不规则可致熔化与固结不均。回收物可能不适合同一结构墙板，未来需量化颗粒尺寸形状及MWCNTs保留/损失，并评估造粒或混炼等中间处理。

结论翻译：本研究以粉碎复合墙板为共同原料，比较压缩成型与注射成型两种回收路线。基于表征与性能分析得出：压缩成型使拉伸强度、模量分别下降69%和57%，弯曲强度、模量下降87%和91%，归因于高孔隙和纤维磨损；注射成型拉伸强度、模量下降38%和16%，弯曲强度、模量下降77%和81%，性能保持相对较好，与低孔隙和更均匀分布有关，尽管纤维缩短更严重。压缩成型冲击强度由62.76 J/m提高42%至89.32 J/m，注射成型下降47%至33.14 J/m；前者较高冲击强度归因于高孔隙和材料不均匀性增加能量耗散。μCT显示原始、压缩成型和注射成型孔隙率分别为0.97%、21.14%和2.19%；压缩成型保留较长纤维碎片但孔隙率高，注射成型孔隙极少但纤维磨损更高，可见纤维约100–150 μm。总体而言，两种路线均不能使墙板完全恢复原始结构性能，同一结构应用需进一步优化；经应用特定验证后，回收复合材料可考虑用于隔断板、装饰板、建筑覆层等非承重建筑构件。