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碳纤维复合材料回收中，熔盐通过增强热传导效率（提升1.75-1.98倍）和渗透性（改善5-8倍）实现高效纤维分离。研究建立监测平台，隔离热传导效应并揭示纤维长度与加热速率、时间的关系，形成工业级预处理参数模型。
作者：杨仁、胡鸿云、李帅、徐思华、何静、黄永达、杨军、孔武斌、姚红
中国华中科技大学能源与动力工程学院煤炭燃烧国家重点实验室，武汉430074
摘要
高成本且广泛应用的碳纤维增强聚合物（CFRPs）在报废处理时面临高价值回收的关键挑战。目前唯一可商用的方法是热解，但该方法无法完全去除树脂，导致回收的纤维受到残留炭的污染。熔盐不仅作为树脂裂解的催化剂、反应过程优化剂，还增强了热传导性能，从而显著促进了纤维-树脂界面的高效、无损分离，实现了高价值纤维的回收。树脂去除率受反应性和催化活性的影响，这些方面已得到广泛研究。然而，决定反应时间和原料尺寸的热传导性能却鲜有关注。本研究建立了一个创新的熔盐辅助热回收监测平台，以分离并研究熔盐的热传导特性。当单独考虑熔盐的热传导贡献时，CFRPs的热性能提高了约1.75–1.98倍，这主要归因于熔盐的热稳定性和高导热性，它们加速了热量向CFRPs内部的传递。将CFRPs直接浸入熔盐中，熔盐可通过扩展的孔隙渗透，有效缓解内部热传导瓶颈，使热传导效率提高了大约5–8倍。此外，还阐明了纤维长度与加热速率和持续时间等参数之间的关系，得出了一个经验公式，可用于指导预处理过程中的粉碎尺寸，从而推动熔盐热回收技术的工业化应用。
引言
热固性碳纤维增强聚合物（CFRPs）以其出色的比强度而闻名，广泛应用于可再生能源和航空航天工程等高端领域。随着对轻量化的需求不断增加，CFRPs市场保持了约10%的复合年增长率，预计到2030年全球市场规模将达到106.8亿美元[1]、[2]、[3]。碳纤维具有很高的内在价值，但同时也能耗高，生产1公斤碳纤维需要消耗198–595 MJ的能量，并释放近24公斤二氧化碳当量[4]、[5]。减少能源消耗和相关环境影响对于推进碳纤维的大规模应用至关重要。然而，CFRPs的广泛使用不可避免地带来了报废复合材料处理的挑战。近年来，全球每年约有6万吨CFRPs被丢弃，但仅有不到10%得到了有效回收[6]、[7]。因此，回收和再利用退役的CFRPs已成为学术界和工业界的共同关注点。研究表明，回收1公斤碳纤维至少可以减少55%的能源消耗，并降低约22%的温室气体排放[8]、[9]。总之，碳纤维的回收和再利用在扩大碳纤维产业、促进循环经济以及实现可持续工业转型方面发挥着重要作用。
迄今为止，唯一成功商业化的回收方法是高温热解，该方法完全依赖能量输入，且无法完全去除树脂，通常只能去除50–90%的树脂[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。残留炭的形成主要是由于树脂三维交联网络的内在稳定性和热解过程的特性。在热解过程中，树脂的交联结构难以完全解聚，这严重阻碍了后续的主链断裂反应[15]、[16]、[17]。同时，聚合物主链分解产生的活性中间体容易发生二次缩合，形成致密的碳质残留物。此外，树脂的低导热性（0.15–0.25 W/(m·K)）以及CFRPs的致密结构导致整个热解过程中的热传导效率有限[18]、[19]、[20]、[21]。因此，在原料预处理阶段通常需要过度切割，这会损害纤维长度，而纤维长度通常在厘米级别。
为了减少残留炭和预处理过程中的过度粉碎，许多研究人员提出使用熔盐作为介质来优化纤维-树脂分离过程。熔盐结合了催化裂解、反应优化和热传导增强作用，实现了显著的回收效率。目前，许多研究报道了熔盐的催化和反应机制。吴等人证明，在基于ZnCl2的熔盐中，Zn2+的空电子轨道能有效吸引树脂基质中的孤对电子，削弱C-N键并促进网络断裂[22]。任等人使用NaOH-Na2CO3熔盐系统在400°C下处理环氧基、乙烯基和邻苯二甲酸基CFRPs，实现了超过95%的树脂去除率和99%以上的拉伸强度保留率[23]、[24]、[25]。对于不饱和聚酯树脂，OH-离子对酯基的羰基碳进行亲核攻击，通过加成-消除机制断裂酯键并生成芳香化合物。在环氧体系中，碱性钠盐与热降解过程中产生的酚类片段反应，形成水溶性的钠酚盐，这些钠酚盐容易从纤维表面脱离。此外，普遍认为熔盐显著增强了CFRPs热解过程中的热传导性能。余等人对熔盐辅助分解过程中的复合材料渗透和热传导行为进行了机理分析[26]。扫描电子显微镜观察显示，树脂的破碎形成了径向截面，形成了一个“侵蚀层”，作为熔盐渗透的毛细通道。基于此，他们提出了一个熔盐侵蚀-毛细扩散模型，证明熔盐可以通过这些通道渗透复合材料。这种渗透行为不仅将所有纤维-树脂界面转化为热传导界面，显著提高了热效率，还将传统的固气反应界面转变为固液界面，从而加速了反应速率。然而，热传导优化的定量评估仍然有限，阻碍了在实际工程应用中确定CFRPs预处理阶段的最佳切割参数。这一挑战源于熔盐的协同作用，熔盐同时具备了催化降解、反应调节和热传导增强功能[27]、[28]、[29]、[30]。因此，分离热传导影响的复杂性也随之增加。
本研究开发了一种创新的自设计熔盐热转化装置，用于碳纤维，旨在分离熔盐的热传导增强效应，并阐明其作为稳定热源在促进复合材料内部热传导中的作用。在此基础上，考虑到熔盐渗透过程从内部优化了复合材料的热响应，进一步研究了碳纤维复合材料的热传导行为。建立了复合材料尺寸与热传导过程之间的关联模型。这项研究不仅为分析熔盐热转化研究中的热传导特性提供了新的视角，也为工程应用中确定复合材料的预处理尺寸提供了参考。
材料与试剂
本研究使用的复合材料是通过热压T300碳纤维和环氧树脂预浸料制备的，样品厚度为6厘米。纤维和树脂的详细参数可在我们之前的研究中找到[23]。材料的密度为1.49 g/cm3，导热率为4.18 W/(m·K)。CFRPs被切割成直径从1到4.5厘米的圆柱形样品。
熔盐热传导效应下CFRPs的加热特性（热传导效应分离)
为了分离熔盐的热传导、催化和化学反应效应，设计了一种单层熔盐热传导实验。该设置消除了催化和化学反应的影响，从而能够分析熔盐在单面接触条件下对CFRPs热传导性能的改善作用。边界条件近似为一维非稳态热传导，样品周围进行了隔热处理
结论
本研究调查了熔盐回收过程中CFRPs的加热特性。采用自设计的实验装置将熔盐热传导效应与反应和催化影响分离，使CFRPs的加热过程近似为熔盐驱动的一维板传导。研究发现，在350–450°C范围内，CFRPs的最大加热速率从传统热解方法下的9°C/min提高到了
作者贡献声明
杨军：撰写 – 审稿与编辑。孔武斌：撰写 – 审稿与编辑。姚红：撰写 – 审稿与编辑。李帅：方法学、实验研究。徐思华：实验研究、数据整理。何静：方法学。黄永达：撰写 – 审稿与编辑。杨仁：撰写 – 初稿撰写、监督、方法学、实验研究、概念化。胡鸿云：撰写 – 审稿与编辑、资金争取。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了中国政府引导地方科学技术发展专项基金（湖北，2024CSA088）、国家自然科学基金（52476114）和华中科技大学“基础研究支持计划（2025BRB005）的支持。作者感谢华中科技大学的分析与测试中心提供的实验测量支持。本文中使用的所有版权图像均
