碳纖維強(qiáng)度是鋼的10倍，重量幾乎是鋁的一半，硬度遠(yuǎn)高于玻璃纖維，具有眾多優(yōu)勢(shì)，使其成為豪華轎車和一級(jí)方程式賽車的首選材料。 

由于生物基材料設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，以工業(yè)規(guī)模回收碳纖維可能已經(jīng)近在咫尺。

美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科學(xué)家尼古拉斯-羅勒（Nicholas Rorrer）和其他NREL研究人員表明，用生物基環(huán)氧樹(shù)脂和酸酐硬化劑制造碳纖維復(fù)合材料，通過(guò)引入更容易降解的基團(tuán)，使材料可以完全回收。事實(shí)上，回收過(guò)程--甲醇分解--可以在室溫下有選擇性被觸發(fā)，而不會(huì)降低纖維的質(zhì)量或方向。這可能代表著向循環(huán)材料邁出了有力的一步，這可以使碳纖維在多次使用時(shí)更便宜和更環(huán)保。

近距離觀察碳纖維

碳纖維既堅(jiān)固又輕便，它的優(yōu)勢(shì)來(lái)自于分層設(shè)計(jì)。它是一種由純碳長(zhǎng)絲和被稱為 "熱固性 "的膠狀環(huán)氧樹(shù)脂涂層組成的復(fù)合材料。當(dāng)固化時(shí)，液體樹(shù)脂中的分子相互結(jié)合，并圍繞著編織的碳絲，硬化成一個(gè)強(qiáng)大而堅(jiān)硬的晶格體。

當(dāng)用模具生產(chǎn)時(shí)，這種材料可以采取一系列的形狀，用于各種應(yīng)用，從汽車保險(xiǎn)杠到風(fēng)力渦輪機(jī)葉片等等。

然而，固化的環(huán)氧樹(shù)脂的熱固性使得這些卓越的產(chǎn)品很難被分解，特別是在不嚴(yán)重破壞碳絲的情況下。由碳纖維制成的產(chǎn)品--盡管它們的價(jià)格很高--往往在其壽命結(jié)束時(shí)被送往垃圾場(chǎng)，連同它們可能已經(jīng)贏得的任何效率優(yōu)勢(shì)。

事實(shí)上，盡管碳纖維可以將一輛典型的乘用車的重量減少一半，并將其燃料效率提高35%，但任何效率方面的好處實(shí)際上都被用于制造碳纖維的溫室氣體密集型能源所抵消。合成碳纖維需要超過(guò)1,000°C的溫度。

這一現(xiàn)實(shí)讓Rorrer開(kāi)始思考。"是否有一種方法可以在多個(gè)材料壽命期間重復(fù)使用碳纖維，以回收該纖維并獲得更多的價(jià)值和環(huán)境效益？"

通過(guò)設(shè)計(jì)使環(huán)氧樹(shù)脂可回收

Rorrer和隊(duì)友開(kāi)始試驗(yàn)生物質(zhì)化學(xué)成分，以了解它是否能使一種新的環(huán)氧樹(shù)脂設(shè)計(jì)成可回收。與石油中的碳?xì)浠衔锵啾?，生物質(zhì)含有更多的氧氣和氮?dú)?，提供了一系列不同的化學(xué)可能性。

"我們基本上重新設(shè)計(jì)了環(huán)氧胺樹(shù)脂--今天碳纖維中的熱固性樹(shù)脂--用從生物質(zhì)中合成的環(huán)氧和酸酐，主要是從糖類的生物和化學(xué)轉(zhuǎn)化中得到，"Rorrer解釋說(shuō)。"我們已經(jīng)證明，這種重新配制的樹(shù)脂可以保持和/或超過(guò)今天的環(huán)氧胺樹(shù)脂中的所有相同特性，但也可以通過(guò)設(shè)計(jì)使它們?cè)谑覝叵驴苫厥?quot;。

使用一種特殊的催化劑，NREL團(tuán)隊(duì)能夠在室溫下分解生物基樹(shù)脂，這一過(guò)程被稱為 "解聚"。這使他們能夠回收碳絲，同時(shí)保持其質(zhì)量和排列。

"Rorrer說(shuō)："我們實(shí)際上可以在至少三個(gè)材料壽命內(nèi)保持纖維質(zhì)量。"因此，我們不僅能夠回收它；我們還能夠在不損害特性的情況下回收它。我們根本就沒(méi)有降低材料的回收率"。

能夠提取和回收碳纖維可以使大眾市場(chǎng)的電動(dòng)汽車的材料更加經(jīng)濟(jì)，為電池釋放出重量和空間。它還可以將材料的溫室氣體足跡降低20%-40%。更好的是，它可以在不增加制造成本的情況下實(shí)現(xiàn)這一切，Rorrer估計(jì)NREL的環(huán)氧樹(shù)脂可以以與今天的石油基環(huán)氧胺樹(shù)脂大致相同的價(jià)格生產(chǎn)。

Rorrer繼續(xù)補(bǔ)充："通過(guò)使用生物基原料而不是石化原料，我們不需要使用額外的能源來(lái)大幅調(diào)整其化學(xué)成分。"這使我們能夠更精確、更便宜、更有效地設(shè)計(jì)具有性能和環(huán)境優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)材料。

本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)編譯，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。