拆解“终极材料”

中科院山西煤化所回收热固性树脂复合材料获进展

风力发电机外号白色巨人，它们耸立在荒野、山巅和海岸线，源源不断地将风能转化为电能。最让人瞩目的就是它巨大的叶片，长达上百米、重达数十吨的庞然大物，是风力发电机的核心部件之一，它不仅造价高昂，占风机成本的20%~30%，而且所用的复合材料既有较轻的重量，也具有较高的强度，抗腐蚀、耐疲劳等性能优异。

风力发电机叶片的寿命一般在20~25年，我国本世纪初新建的一批风电机组即将退役，再加上损坏的、生产叶片时的边角料，全都面临着回收困难。实现风电叶片全生命周期的绿色化、无害化，一直是风电全行业追求的目标。

中国科学院山西煤炭化学研究所侯相林研究员团队经过十多年的潜心研究，掌握了“拆解”风机叶片主要材质——热固性碳纤维树脂复合材料的办法，让这种最“顽固”固体废料回归本源，补齐了绿色回收最关键的一环，教科书里的“终极”材料从此不再“终极”。

教科书里的“终极材料”

风机厂商在叶片外壳上常采用玻璃纤维增强树脂，叶尖、叶片主梁则采用强度更高的碳纤维。这些高端材料结构极其坚固，而且空气动力性好，可以把叶片做的更轻、更长，让风机吸收更多的风能。

玻璃纤维增强树脂在其中占比超约3成，属于热固性树脂复合材料，相当于混凝土建筑中的填充物，叶片的其他部位采用的玻璃纤维（碳纤维）等材料，相当于混凝土中的钢筋，占比约7成。两者结合，坚不可摧。

热固性树脂有个外号，“终极材料”。它是一种高分子聚合物材料，在聚合过程后，这种交联结构不能重复加工成型，所以回收利用几乎是不可能完成的任务。

侯相林举例时说，普通的热塑性塑料比如农田里的地膜，自然降解需要200~400年，它的分子链为线型结构，而热固性树脂的分子链为体型网状结构，是一个刚性的三维网络结构。前者像竹竿，是线性的，后者像不锈钢梯子，是立体的。以热固性树脂为基础制成的复合材料单位密度只有钢铁的1/4，同等重量的材料力学性能却是金属的好几倍。

“终极材料”的名头可见一斑。

难以处理的固体废物

从风电机组服役年限来看，到2025年左右，我国将迎来一大波风电叶片报废潮。到2030年，我国将有超过3万台风电机组面临换新，而到2035年这一数字将超过 9 万台……

而且今年受风电抢装潮影响和原材料的限制，叶片市场甚至供不应求，回收这种高价值材料的技术需求越来越大。实现风电叶片全生命周期的绿色化、无害化，一直是风电全行业追求的目标。

以侯相林为团队负责人的山西煤化所311课题组多年来瞄准对热固性树脂开发利用方向，产出一系列研究成果及专利技术，蕴含了多项国际领先技术，形成了一套极具竞争优势的化学降解综合开发工艺。“就在这几年，国内在本世纪初装机的一大批风电机组也面临着大规模集中退役，回收风电叶片里面的复合材料应该提上日程了”，侯相林开展这方面的研究领域远远早于叶片大规模退役的时间，“国外研究团队也在开展相关研究，但是没有任何一个公司能够实现大规模的回收利用，明知道它有很高的价值，但是都一筹莫展”。

填埋不可降解，它会向大自然缓慢释放少量的芳烃物质，焚烧更不可求，必然产生有毒气体，唯有绿色回收利用一途。国内外有的企业想尝试热塑性树脂代替热固性树脂制造复合材料，有的企业只能回收复合材料里的一部分玻璃纤维，但是风电行业相对来讲是一个新兴行业，在风机叶片的实际处理方面经验很少，真正想要做到产业化，有人预测还需要20年以上的时间。

2020年9月1日，《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》颁布实施。新法明确表示，产生工业固体废物的单位应当根据经济、技术条件对工业固体废物加以利用。愈发收紧的固废处理政策，给专业从事固废研究的侯相林团队提供了一个契机。

国内诸多风电机组制造企业为了处理好生产加工叶片废料，拿出3000元/吨的左右的处理费委托给专业公司，而承揽这些业务的公司，仅仅只是将它切割破碎，将塑料和木质粉料按一定比例混合后经热挤压成型，制成板材，用于公园的板凳、围栏。热固性树脂并没有消失，所谓的“专业处理”也仅仅是半处理，而且给今后的回收造成了更大的困难。

侯相林团队多年积累的以定向解聚技术为核心的一整套科研成果不仅可以高效回收难降解的材料，而且生产出大量高价值化学品，完成了风机叶片绿色回收利用的闭环。

“拆解”分子链

2019年开始，侯相林团队成员邓天昇、武少弟从十余种催化剂中挑选出性能最优的催化剂，全新的催化体系在10Kg级别的高压反应釜连续运行超过300小时，得到了试验关键数据。2021年，“碳纤维增强环氧树脂回收利用”项目，荣获北京地区高校大学生优秀创业团队三等奖。这项技术就是降解碳纤维增强环氧树脂复合材料，致力于从风机叶片中回收高价值的碳纤维。

碳纤维增强环氧树脂的优点多、品质好，但是当回收这些材料时，优点全部变成了“绊脚石”。

侯相林研究团队采用定向解聚法（化学解聚法）处理复合材料，通过特定的溶剂及催化剂体系，国内首创了在较温和的条件下将高分子在特定的键位“拆解”开，形成长链热塑高分子或者树脂合成单体。这一办法也是学术界被普遍承认的实现循环经济的好方法。

目前，全国绝大多数研究机构都未能将热固性树脂的化学降解实现产业化，研究成果多处于实验室状态。“我们在实验室阶段阶段取得了一部分成绩，现在正在准备进行中试放大，数据指标看，环氧树脂降解率大于99%，回收率大于95%，碳纤维回收率大于96%，纤维强度损失小于5%，回收的碳纤维单丝强度指标、模量与原丝相差无几。”侯相林表示。

回收的树脂产物可制成环氧沥青，进一步处理可以得到双酚A等，每吨市场售价数千元乃至上万元，高价值化学品使得回收技术“含金量十足”，预期经济效益十分可观。

从废弃PET到纤维增强环氧树脂，从纤维增强不饱和树脂到乙烯基树脂，从聚氨酯材料到密胺树脂，以热固性树脂为主要回收对象的环保技术，在侯相林团队的系列技术加持下，已经可以通过化学回收制备十余种高价值化学品。

侯相林表示，“经过十多年的专注科研，我们有信心与企业合作扩大生产规模，早日‘变废为宝’，提取出更多有价值的化学品，创造更大的环保效益和经济效益。”