可回收風力葉片登上Science！

一、【科學背景】

風力發電是指把風的動能轉為電能。隨著“雙碳”目標的推進和能源結構的調整，國內對清潔能源的需求不斷增加。風電作為可再生能源的重要組成部分，其市場需求將持續增長。預計到2035年，全球風能發電能力將達到4 TW，因此渦輪機和葉片的建造速度和規模也將進一步擴大。目前，環氧熱固性材料被認為是風力葉片纖維增強復合材料（FRC）的聚合物基質，但這些材料目前并不具備可回收性。雖然最近出現了環氧胺解構化學法，可用于回收成本高昂的碳纖維，但這些方法使用的條件苛刻，對于大規模回收玻璃纖維來說難以實現。熱裂解是處理葉片廢料的方法之一，但由于殘炭和表面功能喪失，纖維質量往往會下降。另外一種發放是粉碎或研磨來減小廢料葉片尺寸，用于混凝土填料，但這種方法不適合作為閉環解決方案。由于缺乏報廢解決方案，預計到2050年，全球將有4,300萬噸風力葉片廢料被丟棄到垃圾填埋場。

二、【創新成果】

基于此，美國國家可再生能源實驗室Nicholas A. Rorrer教授與Robynne E. Murray教授合作，在Science發表了題為“Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling”的論文，研究團隊通過引入了可擴展的生物質衍生聚酯共價適應性網絡（PECAN）和相應的纖維增強復合材料，用于可回收風力葉片的制造。通過實驗和計算研究，包括9米風能葉片原型的真空輔助樹脂轉移成型，研究人員證明了這種材料與現有制造技術的無縫對接，與現有材料相比具有更優越的性能和實用的報廢化學可回收性。最值得注意的是，盡管采用了動態交聯拓撲結構，但該材料的蠕變抑制能力卻超越了業界最先進的熱固性材料，這一點與直覺相反。總的來說，本報告詳細介紹了風力葉片制造的許多方面，包括化學、工程、安全、機械分析、風化和化學可回收性，從而為生物質衍生、可回收的風力葉片提供了現實途徑。

圖1 ?聚酯共價自適應網絡(PECAN)平臺 ? 2024 AAAS

圖2 ?PECAN的放大、建模和復合材料制造 ? 2024 AAAS

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圖3 ?純樹脂和FRC熱機械和流變分析 ? 2024 AAAS

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圖4 ?復合加速風化 ? 2024 AAAS

圖5 ?廢舊風力葉片回收 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上，本研究證明了生物質衍生的聚酯共價適應性網絡（PECAN）FRCs作為傳統熱固性材料的可持續替代品的可制造性。利用現有的生產技術，生物質衍生的PECAN樹脂可被制造為一個逼真的葉片原型，同時該葉片具有可回收性。值得注意的是，盡管存在動態交聯，但在固化過程中酯交換增強網絡的良好相互作用以及優異的蠕變抑制效果仍優于現有技術。與現有材料相比，這種材料還具有同等或更優越的熱性能和機械性能。此外，通過加速風化，研究人員觀察到脂肪族PECAN比商業（甲基）丙烯酸和環氧胺體系更耐光。及時的熱固性解構和纖維回收也突顯了PECAN在壽命結束時固有的可持續性優勢。總之，這些結果支持了采用PECAN取代現有熱固性塑料的技術準備和可持續性動機。

原文詳情：Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling (Science 2024, 385, 854-860)

本文由賽恩斯供稿。