可回收风力叶片登上Science！

一、【科学背景】

风力发电是指把风的动能转为电能。随着“双碳”目标的推进和能源结构的调整，国内对清洁能源的需求不断增加。风电作为可再生能源的重要组成部分，其市场需求将持续增长。预计到2035年，全球风能发电能力将达到4 TW，因此涡轮机和叶片的建造速度和规模也将进一步扩大。目前，环氧热固性材料被认为是风力叶片纤维增强复合材料（FRC）的聚合物基质，但这些材料目前并不具备可回收性。虽然最近出现了环氧胺解构化学法，可用于回收成本高昂的碳纤维，但这些方法使用的条件苛刻，对于大规模回收玻璃纤维来说难以实现。热裂解是处理叶片废料的方法之一，但由于残炭和表面功能丧失，纤维质量往往会下降。另外一种发放是粉碎或研磨来减小废料叶片尺寸，用于混凝土填料，但这种方法不适合作为闭环解决方案。由于缺乏报废解决方案，预计到2050年，全球将有4,300万吨风力叶片废料被丢弃到垃圾填埋场。

二、【创新成果】

基于此，美国国家可再生能源实验室Nicholas A. Rorrer教授与Robynne E. Murray教授合作，在Science发表了题为“Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling”的论文，研究团队通过引入了可扩展的生物质衍生聚酯共价适应性网络（PECAN）和相应的纤维增强复合材料，用于可回收风力叶片的制造。通过实验和计算研究，包括9米风能叶片原型的真空辅助树脂转移成型，研究人员证明了这种材料与现有制造技术的无缝对接，与现有材料相比具有更优越的性能和实用的报废化学可回收性。最值得注意的是，尽管采用了动态交联拓扑结构，但该材料的蠕变抑制能力却超越了业界最先进的热固性材料，这一点与直觉相反。总的来说，本报告详细介绍了风力叶片制造的许多方面，包括化学、工程、安全、机械分析、风化和化学可回收性，从而为生物质衍生、可回收的风力叶片提供了现实途径。

图1聚酯共价自适应网络(PECAN)平台© 2024 AAAS

图2PECAN的放大、建模和复合材料制造© 2024 AAAS

图3纯树脂和FRC热机械和流变分析© 2024 AAAS

图4复合加速风化© 2024 AAAS

图5废旧风力叶片回收© 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上，本研究证明了生物质衍生的聚酯共价适应性网络（PECAN）FRCs作为传统热固性材料的可持续替代品的可制造性。利用现有的生产技术，生物质衍生的PECAN树脂可被制造为一个逼真的叶片原型，同时该叶片具有可回收性。值得注意的是，尽管存在动态交联，但在固化过程中酯交换增强网络的良好相互作用以及优异的蠕变抑制效果仍优于现有技术。与现有材料相比，这种材料还具有同等或更优越的热性能和机械性能。此外，通过加速风化，研究人员观察到脂肪族PECAN比商业（甲基）丙烯酸和环氧胺体系更耐光。及时的热固性解构和纤维回收也突显了PECAN在寿命结束时固有的可持续性优势。总之，这些结果支持了采用PECAN取代现有热固性塑料的技术准备和可持续性动机。

原文详情：Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling(Science2024, 385, 854-860)

本文由赛恩斯供稿。