科學(xué)通報(bào) | 化學(xué)溶脹耦合低溫催化熱解實(shí)現(xiàn)退役風(fēng)電葉片全組分高值回收

風(fēng)力發(fā)電作為重要的可再生能源技術(shù)，正在為能源綠色低碳轉(zhuǎn)型提供持續(xù)支撐。然而，隨著大批風(fēng)電組件逐步進(jìn)入服役末期，退役葉片帶來(lái)的資源化處置問(wèn)題日益凸顯。

風(fēng)電葉片主要由玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂熱固性復(fù)合材料構(gòu)成，其三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)及強(qiáng)界面鍵合導(dǎo)致傳統(tǒng)回收技術(shù)面臨“難解構(gòu)、難分離、難利用”的瓶頸。高溫?zé)峤怆m能分解樹(shù)脂，卻易損傷纖維力學(xué)性能，且焦油產(chǎn)率高、經(jīng)濟(jì)性差。

近日，來(lái)自浙江工業(yè)大學(xué)的胡艷軍教授團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“退役風(fēng)電葉片化學(xué)溶脹耦合低溫催化熱解全組分提質(zhì)回收機(jī)制”的研究論文。該研究創(chuàng)新性地提出“溶脹預(yù)處理-低溫?zé)峤饨饩?異位催化提質(zhì)”協(xié)同技術(shù)路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了樹(shù)脂高效解構(gòu)、高值化學(xué)品富集與纖維高品質(zhì)回收的一體化，為退役風(fēng)電葉片的綠色、高質(zhì)與規(guī)模化再利用提供了可行的技術(shù)路徑。

研究背景

風(fēng)電葉片多采用環(huán)氧樹(shù)脂基體與玻璃纖維/碳纖維增強(qiáng)體的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)，纖維體積分?jǐn)?shù)可達(dá)60%~80%。熱固性樹(shù)脂固化后形成以C?O?C、C?N鍵為主的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的纖維表面構(gòu)筑強(qiáng)界面鍵合，使整體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高強(qiáng)度、高耐疲勞但“難切割、難分離、難解構(gòu)”的典型物性特征。傳統(tǒng)高溫?zé)峄瘜W(xué)轉(zhuǎn)化工藝（通常需400℃以上）能耗高、焦油生成量大，同時(shí)導(dǎo)致回收纖維表面殘留碳化物、力學(xué)性能顯著劣化，限制其工程再利用潛力。如何實(shí)現(xiàn)樹(shù)脂溫和解聚與纖維低損傷回收的協(xié)同，是該領(lǐng)域亟待突破的核心科學(xué)問(wèn)題。

研究思路

針對(duì)上述難題，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一條“溶脹預(yù)處理-低溫?zé)峤饨饩?/b>-異位催化提質(zhì)”的全組分協(xié)同回收技術(shù)路線(xiàn)。其核心思路并不是直接把復(fù)合材料“高溫處置”，而是先通過(guò)化學(xué)溶脹使致密樹(shù)脂網(wǎng)絡(luò)發(fā)生松弛和層間剝離，改善材料內(nèi)部的傳熱傳質(zhì)條件；隨后在較低熱解溫度下促進(jìn)樹(shù)脂高效解聚；最后利用結(jié)構(gòu)化H-ZSM-5催化劑對(duì)揮發(fā)性中間體進(jìn)行定向調(diào)控，抑制焦油生成并提升高值酚類(lèi)單體富集程度（圖1）。

圖1大尺寸熱固性復(fù)合材料低溫溶脹熱解聚耦合定向催化制BPA聯(lián)產(chǎn)纖維路徑

主要研究發(fā)現(xiàn)

研究結(jié)果表明，丙酸溶脹預(yù)處理可有效削弱環(huán)氧樹(shù)脂的交聯(lián)約束，使復(fù)合材料內(nèi)部由致密結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂胸炌紫杜c分層特征的松散體。與非溶脹樣品相比，溶脹后樹(shù)脂脫除率從約82%提升至94%以上，效率提高10%~12%。同時(shí)，重質(zhì)焦油生成量顯著下降，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）的重質(zhì)焦油產(chǎn)率由9.20 wt%降至1.87 wt%，降幅達(dá)79.7%。

在液相產(chǎn)物高值化方面，溶脹預(yù)處理促進(jìn)了環(huán)氧樹(shù)脂骨架片段以較完整結(jié)構(gòu)形式釋放進(jìn)入液相，使熱解油中高價(jià)值酚類(lèi)單體雙酚A（BPA）含量由3.9%提升至12.6%。進(jìn)一步引入異位H-ZSM-5催化體系后，重質(zhì)焦油生成量最高降幅超過(guò)93%，同時(shí)BPA相對(duì)含量進(jìn)一步提升至18.9%，增幅超過(guò)四倍。研究證實(shí)，丙酸通過(guò)質(zhì)子催化選擇性斷裂醚鍵（C?O?C），而非無(wú)差別的熱破碎，是BPA富集的關(guān)鍵機(jī)制（圖2）。

圖2溶脹-熱解工藝樹(shù)脂基體轉(zhuǎn)化路徑。(a)脫水縮合反應(yīng)——酯鍵生成; (b)丙酸質(zhì)子催化斷裂環(huán)氧樹(shù)脂醚鍵

回收纖維性能評(píng)估顯示，經(jīng)90℃溶脹預(yù)處理及400℃熱解回收的玻璃纖維，其單纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)2772 MPa，較未溶脹樣品（2054 MPa）提升35%。SEM圖像表明，溶脹溫度越高，纖維表面殘留碳化物越少，斷面從平直脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇植凇⒍辔⒘鸭y的韌性特征，反映應(yīng)力分布更加均勻。FTIR光譜進(jìn)一步確認(rèn)，丙酸處理未引入外源性雜質(zhì)，且醚鍵特征峰減弱、C?H伸縮振動(dòng)增強(qiáng)，表明溶脹有效抑制了樹(shù)脂深度炭化（圖3）。

圖3不同溶脹溫度下玻纖復(fù)材及回收玻璃纖維的形貌與結(jié)構(gòu)表征。(a)化學(xué)溶脹處理后玻纖復(fù)材的宏觀形貌; (b)回收玻璃纖維SEM表面形貌圖; (c)熱解回收玻璃纖維的FTIR圖

循環(huán)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，丙酸溶脹劑在5次循環(huán)使用后仍保持93%以上的樹(shù)脂降解率，結(jié)構(gòu)化催化劑在連續(xù)運(yùn)行中展現(xiàn)出良好的重復(fù)使用潛力，輕質(zhì)油產(chǎn)率穩(wěn)定在19%~21%區(qū)間（圖4）。

圖4溶脹-熱解-催化”工藝的適用性與穩(wěn)定性評(píng)估。(a)丙酸溶液循環(huán)利用; (b)丙酸循環(huán)利用效果-樹(shù)脂降解率(示意圖);結(jié)構(gòu)催化劑重復(fù)利用實(shí)驗(yàn)(熱解條件: 400℃, 30 min):輕質(zhì)油產(chǎn)率(c)和催化劑質(zhì)量(d)

研究意義與展望

本研究系統(tǒng)揭示了化學(xué)溶脹耦合低溫催化熱解實(shí)現(xiàn)退役風(fēng)電葉片全組分提質(zhì)回收機(jī)制，為熱固性復(fù)合材料的綠色低碳處置提供了新思路。該工藝在低能耗、高選擇性與穩(wěn)定運(yùn)行方面具備良好的工程適應(yīng)性，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)纖維高品質(zhì)回收與液相產(chǎn)物高值化利用。值得注意的是，溶脹—催化過(guò)程富集的BPA可作為樹(shù)脂再生原料，回收的玻纖/碳纖可作為增強(qiáng)相，有望構(gòu)建“回收—再制造”閉環(huán)循環(huán)體系。

此外，本研究提出的“溶脹預(yù)處理—低溫?zé)峤饨饩邸愇淮呋豳|(zhì)”工藝兼顧經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性，在多周期運(yùn)行中保持良好穩(wěn)定性，為退役風(fēng)電葉片的高值化綠色處置提供了切實(shí)可行的技術(shù)路徑。未來(lái)可進(jìn)一步圍繞溶脹劑體系優(yōu)化、催化劑抗失活設(shè)計(jì)及連續(xù)化工藝開(kāi)發(fā)開(kāi)展研究，推動(dòng)該技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化示范邁進(jìn)。

文章信息

楊郭昊, 章嘉杰, 花曄, 焦龍, 胡艷軍. 退役風(fēng)電葉片化學(xué)溶脹耦合低溫催化熱解全組分提質(zhì)回收機(jī)制. 科學(xué)通報(bào), 2026, doi: 10.1360/CSB-2026-0025

https://doi.org/10.1360/CSB-2026-0025

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