風(fēng)力發(fā)電機(jī)也被稱為“白色巨人”，它們高高聳立在荒野、山巔和海岸線，源源不斷地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。最令人矚目的就是其巨大的葉片——這些長達(dá)上百米、重達(dá)數(shù)十噸的龐然大物，不僅造價高昂，且難以回收利用。

　　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，優(yōu)點(diǎn)全部變成了“絆腳石”。由于固化環(huán)氧樹脂特殊的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其無法在自然環(huán)境中降解。復(fù)合材料中碳纖維價格昂貴，由于回收效率低，使得資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

　　過期的預(yù)浸料、制造過程中產(chǎn)生的下腳料、測試材料以及達(dá)到使用壽命的材料，全都面臨著回收難題。如何實現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直困擾著整個風(fēng)電行業(yè)。

　　中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員侯相林團(tuán)隊經(jīng)過10 多年的潛心研究，掌握了“拆解”風(fēng)機(jī)葉片主要材質(zhì)——熱固性纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料的辦法，讓“頑固”固體廢料回歸本源。本期“會客室”我們對侯相林研究員進(jìn)行了專訪。目前風(fēng)電葉片回收技術(shù)與進(jìn)展情況如何？侯相林團(tuán)隊的定向解聚法是如何“拆解”分子鏈的？回收的降解產(chǎn)物又有哪些用途？請聽侯相林研究員一一道來。

　　風(fēng)電市場回收技術(shù)需求高漲

　　風(fēng)機(jī)葉片的壽命約為20~25年，我國本世紀(jì)初新建的一批風(fēng)電機(jī)組即將面臨退役，加之受風(fēng)電搶裝潮影響和原材料的限制，葉片市場甚至供不應(yīng)求，回收這種高價值材料的技術(shù)需求越來越大。

　　“對于這種材料，由于不可降解，填埋會向環(huán)境緩慢釋放少量芳烴物質(zhì)，焚燒更不可取，會產(chǎn)生有毒氣體，唯有走綠色回收利用這一途徑。”侯相林研究員表示。

　　從風(fēng)電機(jī)組服役年限來看，2025 年前后，我國將迎來一大波風(fēng)機(jī)葉片報廢潮。到2030 年，我國將有超過3 萬臺風(fēng)電機(jī)組面臨換新，到2035 年這一數(shù)字將超過9萬臺……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。近年來，熱固性樹脂和復(fù)合材料產(chǎn)量增長，極大地增加了廢料的數(shù)量。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料廢棄物估計將達(dá)到 6.2 萬噸規(guī)模，包括過期的預(yù)浸料、制造過程中產(chǎn)生的下腳料、測試材料及達(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。

　　“就在這幾年，國內(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。國外研究團(tuán)隊相繼開展相關(guān)研究，但是沒有任何一家公司能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)?；厥绽茫髦浪泻芨叩膬r值，但都是一籌莫展。”侯相林說。

　　據(jù)了解，有的企業(yè)嘗試用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。但風(fēng)電作為一個新興行業(yè)，風(fēng)機(jī)葉片實際處理經(jīng)驗很少。

　　國內(nèi)諸多風(fēng)電機(jī)組制造企業(yè)為了處理生產(chǎn)加工葉片產(chǎn)生的廢料，將其交給 “專業(yè)”公司進(jìn)行處理，但后者大多只是通過機(jī)械回收方法，將固廢切割破碎，將樹脂和木質(zhì)粉料按一定比例混合后經(jīng)熱擠壓成型，制成板材，用于公園的板凳、圍欄。采用該方法，材料中的碳纖維、玻璃纖維被破壞，產(chǎn)品附加值低，而且無法從根本上解決熱固性環(huán)氧樹脂的回收問題。熱固性樹脂并沒有因此消失，所謂的“專業(yè)處理”也僅僅是半處理，而且給今后的回收造成了更大困難。

　　此外，行業(yè)中也應(yīng)用高溫?zé)峤夥椒?，這是目前工業(yè)化應(yīng)用的熱回收方法，通過將復(fù)合材料置于450 ℃以上的高溫環(huán)境下進(jìn)行熱解，熱解后，復(fù)合材料中纖維可進(jìn)行回收再利用，纖維強(qiáng)度達(dá)到原纖維的85%左右；樹脂分解成小分子的熱解氣、熱解油等有機(jī)燃料用于系統(tǒng)供熱。但是該方法能耗高、產(chǎn)品附加值低、并且有小分子污染物排放，污染環(huán)境。

　　2020 年9 月1 日，《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》頒布實施，要求產(chǎn)生工業(yè)固體廢物的單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件對工業(yè)固體廢物加以利用。愈發(fā)收緊的固廢處理政策，給專業(yè)從事固廢研究的侯相林團(tuán)隊提供了一個契機(jī)。侯相林研究員負(fù)責(zé)的山西煤化所科研團(tuán)隊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)。

　　定向解聚法“拆解”分子鏈

　　侯相林研究團(tuán)隊采用定向解聚法（化學(xué)解聚法）處理復(fù)合材料，通過特定的溶劑及催化劑體系相匹配，國內(nèi)首創(chuàng)了在較溫和的條件下將熱固高分子在合成過程中形成的特定鍵定向“拆解”開，形成長鏈熱塑高分子或者樹脂合成單體。

　　據(jù)侯相林研究員介紹，研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)了多種催化體系，通過特定位置的“斷鍵”開鎖，實現(xiàn)了廢舊復(fù)合材料“變廢為寶”的轉(zhuǎn)變。2019 年開始，侯相林團(tuán)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(yōu)的催化劑，全新的催化體系在50 升級別的高壓反應(yīng)釜運(yùn)行超過300 小時，得到了試驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

　　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(xué)鍵，實現(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斷裂胺固化環(huán)氧樹脂的碳氮鍵，實現(xiàn)了纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂的高效降解及循環(huán)利用。

　　“對于大型海上風(fēng)電葉片用的酸酐固化環(huán)氧樹脂碳板復(fù)合材料，我們在溫和條件下選擇性斷裂酯鍵，回收降解產(chǎn)物雙酚A 二甘油醚、甲基四氫鄰苯二甲酸，以及復(fù)合材料中的碳纖維等，實現(xiàn)酸酐固化環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的全組分回收，該技術(shù)已申請系列國家發(fā)明專利。其中‘一種催化酸酐固化的環(huán)氧樹脂降解的方法’已得到授權(quán)。” 侯相林研究員表示。

　　與傳統(tǒng)高溫?zé)峤夥椒ㄏ啾?，該酸酐固化環(huán)氧樹脂化學(xué)解聚系列技術(shù)具有解聚條件溫和，能耗低，反應(yīng)選擇性好，降解體系可循環(huán)使用，纖維損傷小，產(chǎn)品附加值高，市場需求大，生產(chǎn)過程無小分子廢氣排放等優(yōu)點(diǎn)。整個過程樹脂降解率大于99%，回收率大于95%，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)、模量與原絲相差無幾，可以說是將固廢直接變回原料。另外該技術(shù)還可以控制酸酐固化環(huán)氧樹脂解聚程度制備多孔材料。

　　那么回收的降解產(chǎn)物又有哪些用途呢？侯相林研究員表示：降解產(chǎn)物雙酚 A 二甘油醚為一種芳香多元醇，可作為多元醇原料重新用于聚氨酯合成，制備聚氨酯彈性體、聚氨酯硬泡、軟泡、聚氨酯防水材料等；另一種降解產(chǎn)物甲基四氫鄰苯二甲酸可作為制備固化劑甲基四氫苯酐的原料，再次用于環(huán)氧樹脂的固化過程；回收的碳纖維或玻璃纖維，強(qiáng)度損失小，可制成纖維短切絲，與其它熱塑性或熱固性樹脂再次復(fù)合。

　　“對于風(fēng)機(jī)回收過程中的廢棄機(jī)艙罩，我們也提供了系統(tǒng)解決方案。機(jī)艙罩的玻璃纖維增強(qiáng)不飽和樹脂復(fù)合材料，可以通過系列催化劑的選擇及工藝優(yōu)化（路易斯酸催化、堿催化、微波解聚等）實現(xiàn)不飽和樹脂的酯鍵選擇性斷裂，得到順酐與苯乙烯共聚的SMA 樹脂及鄰苯二甲酸、丙二醇單體，不飽和樹脂解聚技術(shù)已申請系列國家發(fā)明專利。其中四項已得到授權(quán)。” 侯相林研究員表示。

　　展望未來

　　此項研究已經(jīng)在實驗室階段取得了較為理想的成績，準(zhǔn)備進(jìn)行中試放大。在談及目前的工作及未來的研究課題時，侯相林研究員表示：“利用定向解聚法，去年我們同時破解了‘仿瓷餐具’ 回收這一難題，既可以安全回收再利用，又避免熱解過程中產(chǎn)生劇毒小分子。團(tuán)隊設(shè)計了甲磺酸——四氫呋喃——水的高效降解體系，實現(xiàn)了將樹脂催化的定向解聚，降解比例高于84%。降解后的物質(zhì)還能作為有機(jī)合成原料，再次用于合成樹脂、高分子材料改性劑等。”

　　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象的環(huán)保技術(shù)，在侯相林團(tuán)隊的系列技術(shù)加持下，已經(jīng)可以通過化學(xué)回收制備10余種高價值化學(xué)品。 “目前多項技術(shù)已具備產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，我們也在與相關(guān)企業(yè)合作進(jìn)行廢棄不飽和樹脂紐扣、廢棄碳纖維增強(qiáng)胺固化環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的中試，即將進(jìn)行工業(yè)示范。酸酐固化環(huán)氧樹脂解聚具有更溫和的反應(yīng)條件，解聚產(chǎn)物結(jié)構(gòu)明確，再利用方案簡潔，附加值高，也具備了與企業(yè)合作的條件。乙烯基樹脂在化工領(lǐng)域主要用于防腐，其解聚難度更大，我們也在環(huán)氧乙烯基樹脂可控解聚方面取得了突破，授權(quán)國家發(fā)明專利兩項，與江蘇企業(yè)合作進(jìn)行的鏡片樹脂定向解聚的研究也取得了進(jìn)展。對于工業(yè)上應(yīng)用較大的聚氨酯材料，其化學(xué)解聚也取得了系列進(jìn)展，可以實現(xiàn)氨酯鍵及脲鍵的定向解聚，得到芳香胺和多元醇，降解產(chǎn)物可繼續(xù)用于聚氨酯的生產(chǎn)或用作環(huán)氧的固化劑。

　　“我們有信心將實驗室結(jié)果與實際生產(chǎn)最終實現(xiàn)對接，提取出更多有價值的化學(xué)品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。”侯相林研究員表示。

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