顆粒在線訊：我國(guó)早期風(fēng)電機(jī)組較為主流的風(fēng)機(jī)葉片由玻璃纖維增強(qiáng)的熱固性樹脂基復(fù)合材料加工而成。近年來(lái)，為適應(yīng)海上風(fēng)電等大葉片的發(fā)展趨勢(shì)，具有更優(yōu)性能的碳纖維復(fù)合材料橫空出世，在行業(yè)逐步得到應(yīng)用。然而，這些性能優(yōu)異的復(fù)合材料，卻面臨著回收工藝復(fù)雜、回收價(jià)值不高的難題。

近日，中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員侯相林團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)10多年的潛心研究，掌握了“拆解”風(fēng)機(jī)葉片主要材質(zhì)——熱固性碳纖維樹脂復(fù)合材料的辦法，讓“頑固”固體廢料回歸本源，補(bǔ)齊了綠色回收最關(guān)鍵的一環(huán)，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(fēng)機(jī)葉片出廠前，外殼上常采用玻璃纖維增強(qiáng)樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強(qiáng)度更高的碳纖維，這些高端材料結(jié)構(gòu)極其堅(jiān)固，空氣動(dòng)力性好，葉片又輕又長(zhǎng)，讓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)能吸收更多的能量。常用的碳纖維復(fù)合材料主要由碳纖維和熱固性樹脂復(fù)合而成，具有不溶不熔的特性，讓它有個(gè)“終極材料”的名號(hào)。這種高分子聚合物材料，交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能重復(fù)加工成型，正是這層“金鐘罩”的保護(hù)，造成該材料的回收利用幾乎是不可能完成的任務(wù)，也成為阻礙復(fù)合材料發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

侯相林研究員介紹說(shuō)，普通的熱塑性塑料，比如農(nóng)田里地膜，它的分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，自然降解需要200年—400年，而熱固性樹脂的分子鏈呈體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是剛性的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它的復(fù)合材料的單位密度只有鋼鐵的1/4，同等重量的材料力學(xué)性能卻是金屬的好幾倍?！扒罢呦裰窀停蔷€性的，后者像不銹鋼梯子，呈立體狀，以熱固性樹脂為基礎(chǔ)制造的復(fù)合材料基本上無(wú)法靠大自然降解，拆解難度難上加難。”

探索無(wú)害化風(fēng)機(jī)葉片回收

據(jù)了解，從風(fēng)電機(jī)組服役年限來(lái)看，2025年前后，我國(guó)將迎來(lái)一大波風(fēng)機(jī)葉片報(bào)廢潮。到2030年，我國(guó)將有超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組面臨換新，到2035年這一數(shù)字將超過(guò)9萬(wàn)臺(tái)……不僅用于風(fēng)機(jī)葉片，幾乎所有的高端制造業(yè)都在使用這種材料。2020年全球碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的年產(chǎn)量超過(guò)14萬(wàn)噸，碳纖維增強(qiáng)塑料市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了400多億美元。“就在這幾年，國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初裝機(jī)的一大批風(fēng)電機(jī)組也面臨著大規(guī)模集中退役，回收風(fēng)電葉片里的復(fù)合材料應(yīng)該提上日程了。國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)相繼開展相關(guān)研究，但是沒(méi)有任何一家公司能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模回收利用，明知道它有很高的價(jià)值，但都是一籌莫展?！焙钕嗔终f(shuō)。

環(huán)境問(wèn)題對(duì)熱固性樹脂市場(chǎng)構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)，近年來(lái)，熱固性樹脂和復(fù)合材料產(chǎn)量增長(zhǎng)，極大地增加了廢料的數(shù)量。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廢棄物估計(jì)將達(dá)到6.2萬(wàn)噸規(guī)模，包括過(guò)期的預(yù)浸料、制造過(guò)程中產(chǎn)生的下腳料、測(cè)試材料及達(dá)到使用壽命的材料，合理處置這些復(fù)合材料已經(jīng)迫在眉睫。國(guó)內(nèi)外有的企業(yè)想嘗試熱塑性樹脂代替熱固性樹脂制造復(fù)合材料，有的企業(yè)只能回收復(fù)合材料里的一部分玻璃纖維，風(fēng)電行業(yè)作為新興行業(yè)，對(duì)風(fēng)電機(jī)上的葉片的實(shí)際處理方面經(jīng)驗(yàn)少之更少，真正想要做到產(chǎn)業(yè)化，有人預(yù)測(cè)還需要20年以上。

實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片全生命周期的綠色化、無(wú)害化，一直是風(fēng)電全行業(yè)追求的目標(biāo)。以侯相林研究員負(fù)責(zé)的山西煤化所311課題組前瞻性地開展了熱固性樹脂開發(fā)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(chǔ)。不同的鑰匙才能打開不同的鎖扣，針對(duì)環(huán)氧樹脂固化劑種類的不同，侯相林團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多種催化體系，通過(guò)特定位置的“斷鍵”開鎖，實(shí)現(xiàn)了廢舊復(fù)合材料“變廢為寶”的轉(zhuǎn)變。不同于傳統(tǒng)以小分子降解產(chǎn)物為目標(biāo)的“以破為主”的回收思路，研究團(tuán)隊(duì)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?cái)嗔褬渲瘜W(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)了熱固性樹脂基復(fù)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?cái)嗔循h(huán)氧樹脂的碳氮鍵，實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的高效降解及循環(huán)利用。

定向解聚法“拆解”分子鏈

2019年開始，侯相林團(tuán)隊(duì)成員鄧天昇、武少弟等從十余種催化劑中挑選出性能最優(yōu)的催化劑，全新的催化體系在10kg級(jí)別的高壓反應(yīng)釜連續(xù)運(yùn)行超過(guò)300小時(shí)，得到了試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)多、品質(zhì)好，但是當(dāng)回收這些材料時(shí)，優(yōu)點(diǎn)全部變成了“絆腳石”。侯相林研究團(tuán)隊(duì)采用定向解聚法（化學(xué)解聚法）處理復(fù)合材料，通過(guò)特定的溶劑及催化劑體系，國(guó)內(nèi)首創(chuàng)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(zhǎng)鏈熱塑高分子或者樹脂合成單體。這一辦法也是學(xué)術(shù)界被普遍承認(rèn)的實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的好方法。

回收高價(jià)值碳纖維最重要的一步是對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中的聚合物組分進(jìn)行降解或溶解，回收未受損的碳纖維。與當(dāng)今主流工藝相比，此項(xiàng)工藝不僅具有對(duì)原料綜合開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，改善了環(huán)氧樹脂廢棄物難以利用的現(xiàn)狀；而且具有生產(chǎn)過(guò)程科學(xué)環(huán)保，產(chǎn)物提取效率高，所得產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)的優(yōu)點(diǎn)。如果此項(xiàng)工藝能夠大規(guī)模得到應(yīng)用，這不但會(huì)給相關(guān)固廢回收企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且能進(jìn)一步助力國(guó)家完成“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略目標(biāo)。

回收的樹脂產(chǎn)物可制成環(huán)氧瀝青，進(jìn)一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場(chǎng)售價(jià)數(shù)千元乃至上萬(wàn)元，高價(jià)值化學(xué)品使得回收技術(shù)“含金量十足”，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。目前，全國(guó)絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)都未能將熱固性樹脂的化學(xué)降解實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，研究成果多處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)?！拔覀?cè)趯?shí)驗(yàn)室階段取得了一部分成績(jī)，現(xiàn)在正在準(zhǔn)備進(jìn)行中試放大，數(shù)據(jù)指標(biāo)看，環(huán)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(qiáng)度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強(qiáng)度指標(biāo)、模量與原絲相差無(wú)幾，廢物直接變回原料?！焙钕嗔盅芯繂T表示。

從廢棄PET到纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂，從纖維增強(qiáng)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(duì)象的環(huán)保技術(shù)，在侯相林團(tuán)隊(duì)的系列技術(shù)加持下，已經(jīng)可以通過(guò)化學(xué)回收制備10余種高價(jià)值化學(xué)品。侯相林表示，經(jīng)過(guò)10多年的專注科研，我們有信心與企業(yè)合作擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，早日“變廢為寶”，提取出更多有價(jià)值的化學(xué)品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。