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侯相林團隊潛心研究十余年，掌握熱固性碳纖維樹脂復合材料的技術

文章來源：賽奧碳纖維技術更新時間：2021-09-10 15:28:18

我國早期風電機組較為主流的風機葉片由玻璃纖維增強的熱固性樹脂基復合材料加工而成。近年來，為適應海上風電等大葉片的發展趨勢，具有更優性能的碳纖維復合材料橫空出世，在行業逐步得到應用。然而，這些性能優異的復合材料，卻面臨著回收工藝復雜、回收價值不高的難題。

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所研究員侯相林團隊經過10多年的潛心研究，掌握了“拆解”風機葉片主要材質——熱固性碳纖維樹脂復合材料的辦法，讓“頑固”固體廢料回歸本源，補齊了綠色回收最關鍵的一環，教科書里的“終極材料”從此不再終極。

教科書里的“終極材料”

每一片風機葉片出廠前，外殼上常采用玻璃纖維增強樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強度更高的碳纖維，這些高端材料結構極其堅固，空氣動力性好，葉片又輕又長，讓風機轉動起來能吸收更多的能量。常用的碳纖維復合材料主要由碳纖維和熱固性樹脂復合而成，具有不溶不熔的特性，讓它有個“終極材料”的名號。這種高分子聚合物材料，交聯結構不能重復加工成型，正是這層“金鐘罩”的保護，造成該材料的回收利用幾乎是不可能完成的任務，也成為阻礙復合材料發展的瓶頸問題。

侯相林研究員介紹說，普通的熱塑性塑料，比如農田里地膜，它的分子鏈為線型結構，自然降解需要200年—400年，而熱固性樹脂的分子鏈呈體型網狀結構，是剛性的三維網絡結構，它的復合材料的單位密度只有鋼鐵的1/4，同等重量的材料力學性能卻是金屬的好幾倍。“前者像竹竿，是線性的，后者像不銹鋼梯子，呈立體狀，以熱固性樹脂為基礎制造的復合材料基本上無法靠大自然降解，拆解難度難上加難。”

探索無害化風機葉片回收

據了解，從風電機組服役年限來看，2025年前后，我國將迎來一大波風機葉片報廢潮。到2030年，我國將有超過3萬臺風電機組面臨換新，到2035年這一數字將超過9萬臺……不僅用于風機葉片，幾乎所有的高端制造業都在使用這種材料。2020年全球碳纖維增強復合材料的年產量超過14萬噸，碳纖維增強塑料市場規模達到了400多億美元。“就在這幾年，國內在本世紀初裝機的一大批風電機組也面臨著大規模集中退役，回收風電葉片里的復合材料應該提上日程了。國外研究團隊相繼開展相關研究，但是沒有任何一家公司能夠實現大規?；厥绽?，明知道它有很高的價值，但都是一籌莫展。”侯相林說。

環境問題對熱固性樹脂市場構成了重大挑戰，近年來，熱固性樹脂和復合材料產量增長，極大地增加了廢料的數量。碳纖維增強復合材料廢棄物估計將達到6.2萬噸規模，包括過期的預浸料、制造過程中產生的下腳料、測試材料及達到使用壽命的材料，合理處置這些復合材料已經迫在眉睫。國內外有的企業想嘗試熱塑性樹脂代替熱固性樹脂制造復合材料，有的企業只能回收復合材料里的一部分玻璃纖維，風電行業作為新興行業，對風電機上的葉片的實際處理方面經驗少之更少，真正想要做到產業化，有人預測還需要20年以上。

實現風機葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直是風電全行業追求的目標。以侯相林研究員負責的山西煤化所311課題組前瞻性地開展了熱固性樹脂開發利用研究，為即將大量退役的熱固性高分子材料回收利用奠定了基礎。不同的鑰匙才能打開不同的鎖扣，針對環氧樹脂固化劑種類的不同，侯相林團隊開發了多種催化體系，通過特定位置的“斷鍵”開鎖，實現了廢舊復合材料“變廢為寶”的轉變。不同于傳統以小分子降解產物為目標的“以破為主”的回收思路，研究團隊提出選擇性斷鍵降解回收熱固性樹脂的新思路，并利用配位不飽和或弱配位的金屬離子選擇性地斷裂樹脂化學鍵，實現了熱固性樹脂基復合材料的高效降解和全成分回收。利用水相體系配位不飽和的鋅離子選擇性地斷裂環氧樹脂的碳氮鍵，實現了碳纖維增強環氧樹脂的高效降解及循環利用。

定向解聚法“拆解”分子鏈

2019年開始，侯相林團隊成員鄧天昇、武少弟等從十余種催化劑中挑選出性能最優的催化劑，全新的催化體系在10kg級別的高壓反應釜連續運行超過300小時，得到了試驗關鍵數據。碳纖維增強環氧樹脂的優點多、品質好，但是當回收這些材料時，優點全部變成了“絆腳石”。侯相林研究團隊采用定向解聚法（化學解聚法）處理復合材料，通過特定的溶劑及催化劑體系，國內首創了在較溫和的條件下將高分子在特定的鍵位“拆解”開，形成長鏈熱塑高分子或者樹脂合成單體。這一辦法也是學術界被普遍承認的實現循環經濟的好方法。

回收高價值碳纖維最重要的一步是對碳纖維增強復合材料中的聚合物組分進行降解或溶解，回收未受損的碳纖維。與當今主流工藝相比，此項工藝不僅具有對原料綜合開發的優勢，改善了環氧樹脂廢棄物難以利用的現狀；而且具有生產過程科學環保，產物提取效率高，所得產品質量優的優點。如果此項工藝能夠大規模得到應用，這不但會給相關固廢回收企業帶來巨大的經濟效益，而且能進一步助力國家完成“碳達峰、碳中和”的戰略目標。

回收的樹脂產物可制成環氧瀝青，進一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場售價數千元乃至上萬元，高價值化學品使得回收技術“含金量十足”，預期經濟效益十分可觀。目前，全國絕大多數研究機構都未能將熱固性樹脂的化學降解實現產業化，研究成果多處于實驗室狀態。“我們在實驗室階段取得了一部分成績，現在正在準備進行中試放大，數據指標看，環氧樹脂降解率大于99%，回收率大于95%，碳纖維回收率大于96%，纖維強度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強度指標、模量與原絲相差無幾，廢物直接變回原料。”侯相林研究員表示。

從廢棄PET到纖維增強環氧樹脂，從纖維增強不飽和樹脂到乙烯基樹脂，從聚氨酯材料到密胺樹脂，以熱固性樹脂為主要回收對象的環保技術，在侯相林團隊的系列技術加持下，已經可以通過化學回收制備10余種高價值化學品。侯相林表示，經過10多年的專注科研，我們有信心與企業合作擴大生產規模，早日“變廢為寶”，提取出更多有價值的化學品，創造更大的環保效益和經濟效益。

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