扩大热塑性复合材料的回收规模

Spiral RTC的创始人认识到，需要创建一个可以处理航空热塑性复合材料 (TPC) 生产废料的中心，同时还要与配混商和最终用户创建一个生态系统，以将这些回收材料用于新的应用。目前，Spiral RTC 将航空级的废料加工成再生料，然后将其配混成可注射成型的粒料，用以评估从自行车车架到工业泵部件的各种应用(图片来源：左上起按顺时针：Spiral RTC, Rein4ced, Spiral RTC, Rein4ced)

“人们总是说:热塑性复合材料100%可回收。的确，事实证明这是可以做到的，但没有人真正做到。”Spiral Recycled Thermoplastic Composites BV(简称Spiral RTC，荷兰Enschede)的联合创始人Winand Kok表示。

热塑性塑料从本质上被认为是可回收的，因为按照定义，热塑性聚合物可熔化，然后可重塑成新的可用形式。由于添加了纤维增强材料，所以，回收热塑性复合材料(TPC)有些复杂，但有多种回收TPC的方法，包括分离纤维与树脂的热处理和化学处理方法。通常，这类处理的重点是回收价值较高的纤维，而不是利用树脂的可回收性。

Spiral RTC 专注于机械回收热塑性复合材料，涉及切碎或碾碎整个热塑性复合材料部件或废料，然后将其熔化成“可再加工成注射成型用粒料以用于制造新部件”的材料。Kok和联合创始人Hans Luinge于2022 年创建了 Spiral RTC，供应商东丽先进复合材料(及其前身 TenCate Advanced Composites)在热固性和热塑性复合材料领域多年积累的经验让他们受到启发，认识到了“为热塑性复合材料废弃物提供解决方案”的迫切需求。

对于那些旨在实现内部可持续性和排放目标或满足当前或未来可持续性法规要求的制造商而言，回收废料至关重要。当然，除可持续性外，材料供应商或制造商回收热塑性复合材料废料还有各种实际原因，包括减少废物的产生量，最大程度地降低将废物运到垃圾填埋场的处置成本，以减少对原生材料的依赖。

当他们开始认真地研究热塑性复合材料的回收解决方案时，Kok和Luinge意识到，需要一家独立的回收公司，该公司要足够小，以便灵活应对市场的需求和变化。“我们的目标是，成为市场中心的独立枢纽，能够从供应链中的各种来源收集废弃物。比如，如果你只是一家大型材料制造商的回收部门，要做到这一点就不容易。”Kok 说道。

就处理技术而言，两个合作伙伴决定，推进已得到验证的机械回收方法。“背景源于30年前的科学论文，该论文证明了‘回收热塑性复合材料’可以采用机械回收、然后配混成注射成型用配混料的方式来完成。”Luinge 解释说，“下一个合乎逻辑的步骤是制造示范件，以证明学术研究成果可以在实践层面上实现。许多成功的示范件已开始涌现，它们来自TPRC(热塑性复合材料研究中心)以及GKN Aerospace和Clean Aviation等。由此，下一个合乎逻辑的步骤是在工业层面上实施这一方案，而这，正是 Spiral RTC 的用武之地。所有这些，都基于几十年来不断发展的研究和技术根基。”

Kok补充道：“在尝试从学术实验室处理扩展到工业回收水平时，存在许多挑战，需要考虑许多因素，包括确保稳定的材料供应、解决与加工可变材料相关的技术难题、确保更高的效率、为回收材料开发应用以及废物处理法规。无论是过去还是现在，都有许多问题需要解决。”

在Spiral RTC的回收运营设施中，该公司目前每年能够处理超过10吨的废物（图片来源：Spiral RTC）

Kok和Luinge首先与TPRC合作开展了多个成功的研发项目，而Spiral RTC公司也在该园区设有办公室。该公司的回收业务运营场所位于附近原特温特机场的一处改造后的飞机库内。

Spiral RTC 的商业模式包括3个步骤：第一，收集废物；第二，将废物转化为可用材料；第三，再次将其商业化，换句话说就是为它寻找应用。

在生产现场，Spiral RTC 对收到的废料进行储存、分类和清洁，并以机械方式将其切碎成较小的尺寸，通常小于1英寸×1英寸。然后，将加工后含有短纤维和残余树脂的再研磨片料发送给配混合作伙伴，以进行熔化，将它们转化为粒料。然后，这些粒料再返回 Spiral RTC，供应给为再生热塑性复合材料提供应用的公司。

目前，Spiral RTC每年能处理超过10吨的废料。“虽然这个量还不大，但比一个研发项目要大得多。”正如 Kok 所描述的那样，“这是一个非常简单的过程。我们不是试图创新回收方法，而是试图实施经过验证的概念并将其提升到商业水平。”

目前，Spiral RTC直接从材料供应商或最终用户(如柯林斯宇航公司)那里获取碳纤维增强热塑性聚合物(CFRTP)材料废料。
 

将航空级的热塑性复合材料回收料发送给配混商合作伙伴，以将其加工成可注射成型的粒料（图片来源：Spiral RTC）

“就价值而言，我们从使用尼龙及以上的高性能聚合物、控制良好的高端航空级长纤维CFRTP航空材料开始。”Kok表示。典型的材料是碳纤维增强PA、PEI、PPS 或 PAEK。“虽然牺牲了纤维长度带来的一些价值，但这些材料仍然具有很高的经济价值和技术性能——这很重要，否则就不具备这样做的商业理由。”

他强调商业案例是必要的。“我们不会等待立法来强迫人们重新使用废料，因为这需要等待太长的时间。只有在对各方都有经济意义的情况下，我们才这样做。”

材料的选择还必须符合生态意义。“比如，如果采用玻璃纤维增强聚丙烯并进行生命周期分析，那么从生态或经济角度回收它可能没有实际意义。”Luinge 解释说，“但是，制造碳纤维和这些高性能聚合物非常耗能，因此，使用这种生产废料而不是扔掉它是有意义的。”

随着该公司准备在未来接受来自更多来源的材料，Spiral RTC还在努力解决与高效材料收集、准确识别材料类型和分离不同材料相关的潜在难题。“这需要时间，并且要与不同的利益相关者合作，以便我们从现在开始，就要为未来准备好解决方案。”Luinge 说道。

Kok补充道：“我知道产量是一个有效的问题，我们始终关注这个问题，并制定了备用计划。遗憾的是，产量还很小，因此，我们整合了来自不同来源的类似材料，但我们目前有足够的供应。”

Spiral RTC 正在努力实现对报废部件的高效回收，包括对这些GFRP烟雾探测器盘的回收（图片来源：Spiral RTC）

报废后的CFRTP部件将何去何从？目前，这是 Spiral RTC 的一个研究领域。通过航空业的合作伙伴，该公司已获得了几个玻璃纤维增强PEI的烟雾探测器盘，这些盘子曾随同现已退役的商用飞机一起飞行。Spiral RTC 团队拆解并切碎了这些部件，然后，这些经过处理的产物将被配混成注射成型用的粒料并进行测试，以了解其性能与类似的原生材料相比如何。“这是使用我们现有的部件进行的一个案例研究，以看看该如何处理报废部件，了解所涉及的复杂性。”Kok 解释说。

Spiral RTC与配混商Witcom Engineering Plastics BV（简称Witcom，荷兰 Etten-Leur）展开了合作。通常，在配混过程中，回收材料与纯的聚合物和/或其他添加剂（如润滑剂）混合，以产生新的配混物。挑战是，要将研磨的片料转化为可在标准的配混设备中进行加工的形式，同时还要确保最终产品获得所需的刚度和强度。“这是一个迭代设计的过程，但Witcom已在此方面进行了投资。”Witcom的工程塑料技术销售经理 Nico Harperink表示。

除注射成型用的粒料外，Spiral RTC还致力于开发用于大幅面3D打印的粒料，以及锻造碳中间体和团状模塑料(BMC)。对BMC的研究是与TPRC及其姊妹公司——热塑性复合材料应用中心(简称TPAC)合作完成的，目标是创造一种产品，该产品可以整合具有较长纤维长度的材料。

这些材料可用于哪些类型的产品呢？一个潜力巨大的应用领域是工业，如轴承，这类产品可受益于再生碳纤维(rCF)带来的强度、刚度和耐化学性。“虽然不是直接替代，但这些材料相对易于使用。”Kok说道。

这种注射成型的rCF/PPS泵壳示范件正在接受评估，以作为工业排水系统的铝制替代品（图片来源：Spiral RTC）

最近，Spiral RTC与泵制造商合作，开发了一种复杂的rCF/PPS泵壳，用于工业排水泵。这一重9公斤、尺寸56厘米×43厘米×16厘米的部件，通常由铸铝加工而成，现在可以通过注射成型以更低的成本进行制造。

为什么选择 rCF/PPS？Kok解释说，PPS树脂提供了所需的防潮性和耐化学性，而 rCF 的质量足够高，可以增加必要的尺寸稳定性。“这是使用我们再生材料的一个很好的例子，这些材料源于航空复合材料，现在被用于注射成型机器部件。”Kok 说道。

该公司还与合作伙伴合作，展示这些材料在运动器材等方面的应用。

比如，Spiral RTC花费了大约2年时间，与Witcom和自行车车架制造商 Rein4ced（比利时赫伦特）合作，生产原型的rCFRTP 自行车组件。

Rein4ced的目标是，使用rCFRTP生产完整的自行车车架。此图为Rein4ced生产的一辆采用复合材料车架的自行车，但这款自行车的车架尚未采用再生碳纤维（图片来源：Rein4ced）

“自行车行业在制造过程中会产生大量的废物，因此，我们想找到解决方案，以便将我们自己的废料重新用于一些新的部件，但我们还需要这种解决方案具有成本效益，并且能够满足行业标准和我们的产量需求。”Rein4ced 的材料研究工程师 Juan Geerts 解释道。

在与Spiral RTC合作设计示范项目时，Rein4ced 决定从自行车车架组件开始，目标是努力开发全车架。Spiral RTC与Witcom合作，生产了可满足Rein4ced 所需性能的订制粒料。在该项目中，rCF/尼龙连续纤维带材废料得到回收利用，与纯的尼龙相结合，用以制造新的部件。“现在，我们正在努力收集数据，不仅要确定部件是否符合标准，还要确定与原生碳纤维相比，它们的碳足迹如何。”Kok说道。

两个合作伙伴的目标是，生产出一种完整的、多材料的自行车车架，尽可能多地使用 rCFRTP。下一步是，在2026年之前，由Rein4ced 完成一个复杂的、完整的多材料车架。据说，目前生产的部件性能与原生材料的非常接近，而且尽可能地保持了纤维长度。

Rein4ced项目从注射成型rCFRTP试样开始，并与采用原生CFRTP制成的试样进行比较，以了解其机械性能如何（图片来源：Rein4ced）

这些材料在价格和环境影响方面如何参与市场竞争？

“目前，回收材料的价格水平通常与原生材料的类似，但碳足迹明显更低。”Kok 说道。他认为，rCF也可以作为一种解决方案，来应对未来预计的碳纤维供应链短缺问题。

在碳足迹方面，回收材料与原生材料相比如何？这是Spiral RTC 团队正在处理的数据，该团队最近与TPRC 和 DLR 轻量化系统研究所(德国布伦瑞克)开展了生命周期分析(LCA)。

根据 Spiral RTC 发布的一份白皮书，生命周期分析显示：“与生产原生材料相比，温室气体影响显著降低。值得注意的是，回收过程对环境的影响甚至比焚烧相同的材料要小。”据报道，与Sphera 数据库（用于生命周期分析的软件套件）中记录的类似工艺相比，Spiral RTC 的造粒工艺所消耗的能源降低了85%。

“通常，我们可以说，碳足迹要比原生配混物低一个数量级。当然，根据材料的不同会有所不同，我们不想依赖假设。”Luinge 补充道。

按照Kok的说法，注射用配混料可以多次回收，从碳足迹的角度来看，这增加了它的吸引力。“此外，与其他回收技术相比，机械回收的能耗非常低。”Kok 说道。在确定回收材料的碳足迹时，运输也是一个重要方面。材料需要从生产工厂运送给回收商，然后运送给配混商，最后送给最终用户，这有多远？“这种类型的生态系统仅在本地模式下有效，因此，我们现在在荷兰及周边的欧洲地区开展业务。一旦我们对此进行了验证，就可以考虑在其他地区（如美国）建立工厂。”Kok 说道。

“我们已准备好扩大规模。技术就在这里，但下一步需要什么？”Luinge 说道，“有很多很棒的示范件，但如何使它们被广泛采用以形成一条可广泛实施的回收路线呢？”最大的挑战不在于技术本身，而在于协作生态系统，这样，才能真正以工业化的规模实现对热塑性复合材料的回收利用。Spiral RTC所发挥的主要作用是，尝试构建这个生态系统，使回收材料的上游废物源与下游应用保持一致。

正如 Kok 所解释的那样，许多供应预浸料废料的公司都预计，复合材料回收系统将比现在更加成熟，并期待付款和稳定的供需率。“当然，我们正在努力实现这些目标，但这些废料只有在被制成新的产品后才有价值，而且生态系统仍在建设中，以完善整个价值链。”Kok 说道。

他强调说：“我们需要愿意真正朝着更循环经济迈出下一步的政党。政府可以强制这样做，但如果动机来自行业本身、公司和消费者，那就更好了。这才是真正的挑战。很多人说，他们想进行回收，但我们需要将热情转化为行动。”