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环氧树脂复合材料回收工艺新突破

   日期:2023-07-03     来源:Nature    浏览:297    评论:0    
核心提示:轻质、高度耐用的纤维增强环氧复合材料由嵌入聚合物基体中的玻璃纤维或碳纤维组成,是对制造汽车、船舶、飞机和风力涡轮机叶片至
 轻质、高度耐用的纤维增强环氧复合材料由嵌入聚合物基体中的玻璃纤维或碳纤维组成,是对制造汽车、船舶、飞机和风力涡轮机叶片至关重要的高性能材料。

 

到2025年,每年将由大约25000吨的风电叶片到达其运营期限。传统上,由于环氧树脂的化学特性,风力涡轮机叶片很难回收,因为环氧树脂是一种弹性物质,且被认为是一种不可能分解成可重复使用的成分。环氧树脂不可生物降解,焚烧时会释放有毒气体,最终导致填埋成为处理它们的主要途径。

 

由于效率低下和不可持续,风力涡轮机叶片的填埋已被多个欧洲国家禁止,预计以后还会有更多国家实施。因此,对环氧树脂及其复合材料可行的回收策略的需求迫切。

 

目前新发现的工艺是回收策略的概念验证,可以应用于绝大多数现有的风力涡轮机叶片和目前正在生产的叶片,以及其他环氧树脂基材料。

 

研究结果发表在领先的科学期刊《自然》上,奥胡斯大学与丹麦技术研究所一起为该工艺申请了专利。

 

具体来说,研究人员表明,通过使用钌基催化剂和溶剂异丙醇和甲苯,他们可以分离环氧树脂基质并释放环氧聚合物的原始结构单元之一,双酚A和完整的玻璃纤维一个单一的过程。

 

然而,该方法还不能立即扩展,因为催化系统的效率不足以进行工业实施——而且钌是一种稀有且昂贵的金属。因此,奥胡斯大学的科学家们正在继续改进这种方法。

 

“尽管如此,我们认为这是开发耐用技术的重大突破,可以为环氧基材料创造循环经济。这是化学过程的首次发表,可以选择性地分解环氧树脂复合材料并分离出最重要的材料之一。该研究的主要作者之一 Troels Skrydstrup 说:“环氧聚合物以及玻璃或碳纤维的重要组成部分,不会在此过程中损坏后者。”

 

Troels Skrydstrup 是奥胡斯大学化学系和跨学科纳米科学中心 (iNANO) 的教授。该研究得到了CETEC项目(热固性环氧树脂复合材料循环经济)的支持,该项目是维斯塔斯、奥林公司、丹麦技术研究所和奥胡斯大学之间的合作伙伴关系。

 

本篇研究中,研究人员使用了一种Ru催化的脱氢/键断裂/还原串联反应,来断裂聚合物中最常见的C(烷基)-O键,可以用于断开与 BPA 基体相邻的 C(烷基)-O 单键。研究者展示了这种方法在未经修改的胺固化环氧树脂以及商业复合材料中的应用,包括风能涡轮叶片的外壳。研究者的结果表明,对热固性环氧树脂和复合材料进行化学回收是可行的。

 

对于环氧树脂的催化解构实验证明,催化反应4天时间,可将回收81%的 BPA 量。

 

图1 环氧树脂的催化解构

 

通过可用于胺固化环氧树脂分子分解的通用方法,研究者转向研究该协议对纤维增强环氧复合材料的解构的适用性,除聚合物基体外,该复合材料还含有高重量百分比的纤维。在不做任何预处理的情况下,3 天后,复合材料明显分离成松散的纤维。倾析反应混合物;洗涤后,回收了57wt% 的碳纤维,并且从溶液中分离出了13wt% 的BPA。

 

后续测试了一块最先进的退役风力涡轮机叶片的外壳。这种商用复合材料样品经过催化后彻底分解,得到50wt% 的玻璃纤维和19wt% 的BPA。

 

图2 用Ru催化从商用环氧复合材料中回收BPA和纤维

 

总之,对于从报废复合材料中回收的组分,可以考虑实现循环经济。从回收得到的高纯度的双酚A理论上可以在环氧树脂、聚碳酸酯或聚酯等已有生产链中再次使用,替代从石油原料生产的原始BPA。研究者的催化过程可以被视为一个概念验证,证明对这些有价值且相关的材料实现循环经济是可行的。

来源:Nature 中复材官网

 
 
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