風力發(fā)電機外號白色巨人，它們聳立在荒野、山巔和海岸線，源源不斷地將風能轉(zhuǎn)化為電能。最讓人矚目的就是它巨大的葉片，長達上百米、重達數(shù)十噸的龐然大物，是風力發(fā)電機的核心部件之一，它不僅造價高昂，占風機成本的20%~30%，而且所用的復合材料既有較輕的重量，也具有較高的強度，抗腐蝕、耐疲勞等性能優(yōu)異。
風力發(fā)電機葉片的壽命一般在20~25年，我國本世紀初新建的一批風電機組即將退役，再加上損壞的、生產(chǎn)葉片時的邊角料，全都面臨著回收困難。實現(xiàn)風電葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直是風電全行業(yè)追求的目標。
中國科學院山西煤炭化學研究所侯相林研究員團隊經(jīng)過十多年的潛心研究，掌握了“拆解”風機葉片主要材質(zhì)——熱固性碳纖維樹脂復合材料的辦法，讓這種最“頑固”固體廢料回歸本源，補齊了綠色回收最關(guān)鍵的一環(huán)，教科書里的“終極”材料從此不再“終極”。
教科書里的“終極材料”
風機廠商在葉片外殼上常采用玻璃纖維增強樹脂，葉尖、葉片主梁則采用強度更高的碳纖維。這些高端材料結(jié)構(gòu)極其堅固，而且空氣動力性好，可以把葉片做的更輕、更長，讓風機吸收更多的風能。
玻璃纖維增強樹脂在其中占比超約3成，屬于熱固性樹脂復合材料，相當于混凝土建筑中的填充物，葉片的其他部位采用的玻璃纖維（碳纖維）等材料，相當于混凝土中的鋼筋，占比約7成。兩者結(jié)合，堅不可摧。
熱固性樹脂有個外號，“終極材料”。它是一種高分子聚合物材料，在聚合過程后，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能重復加工成型，所以回收利用幾乎是不可能完成的任務。
侯相林舉例時說，普通的熱塑性塑料比如農(nóng)田里的地膜，自然降解需要200~400年，它的分子鏈為線型結(jié)構(gòu)，而熱固性樹脂的分子鏈為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一個剛性的三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。前者像竹竿，是線性的，后者像不銹鋼梯子，是立體的。以熱固性樹脂為基礎制成的復合材料單位密度只有鋼鐵的1/4，同等重量的材料力學性能卻是金屬的好幾倍。
“終極材料”的名頭可見一斑。
難以處理的固體廢物
從風電機組服役年限來看，到2025年左右，我國將迎來一大波風電葉片報廢潮。到2030年，我國將有超過3萬臺風電機組面臨換新，而到2035年這一數(shù)字將超過 9 萬臺……
而且今年受風電搶裝潮影響和原材料的限制，葉片市場甚至供不應求，回收這種高價值材料的技術(shù)需求越來越大。實現(xiàn)風電葉片全生命周期的綠色化、無害化，一直是風電全行業(yè)追求的目標。
以侯相林為團隊負責人的山西煤化所311課題組多年來瞄準對熱固性樹脂開發(fā)利用方向，產(chǎn)出一系列研究成果及專利技術(shù)，蘊含了多項國際領先技術(shù)，形成了一套極具競爭優(yōu)勢的化學降解綜合開發(fā)工藝。“就在這幾年，國內(nèi)在本世紀初裝機的一大批風電機組也面臨著大規(guī)模集中退役，回收風電葉片里面的復合材料應該提上日程了”，侯相林開展這方面的研究領域遠遠早于葉片大規(guī)模退役的時間，“國外研究團隊也在開展相關(guān)研究，但是沒有任何一個公司能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的回收利用，明知道它有很高的價值，但是都一籌莫展”。
填埋不可降解，它會向大自然緩慢釋放少量的芳烴物質(zhì)，焚燒更不可求，必然產(chǎn)生有毒氣體，唯有綠色回收利用一途。國內(nèi)外有的企業(yè)想嘗試熱塑性樹脂代替熱固性樹脂制造復合材料，有的企業(yè)只能回收復合材料里的一部分玻璃纖維，但是風電行業(yè)相對來講是一個新興行業(yè)，在風機葉片的實際處理方面經(jīng)驗很少，真正想要做到產(chǎn)業(yè)化，有人預測還需要20年以上的時間。
2020年9月1日，《中華人民共和國固體廢物污染環(huán)境防治法》頒布實施。新法明確表示，產(chǎn)生工業(yè)固體廢物的單位應當根據(jù)經(jīng)濟、技術(shù)條件對工業(yè)固體廢物加以利用。愈發(fā)收緊的固廢處理政策，給專業(yè)從事固廢研究的侯相林團隊提供了一個契機。
國內(nèi)諸多風電機組制造企業(yè)為了處理好生產(chǎn)加工葉片廢料，拿出3000元/噸的左右的處理費委托給專業(yè)公司，而承攬這些業(yè)務的公司，僅僅只是將它切割破碎，將塑料和木質(zhì)粉料按一定比例混合后經(jīng)熱擠壓成型，制成板材，用于公園的板凳、圍欄。熱固性樹脂并沒有消失，所謂的“專業(yè)處理”也僅僅是半處理，而且給今后的回收造成了更大的困難。
侯相林團隊多年積累的以定向解聚技術(shù)為核心的一整套科研成果不僅可以高效回收難降解的材料，而且生產(chǎn)出大量高價值化學品，完成了風機葉片綠色回收利用的閉環(huán)。
“拆解”分子鏈
2019年開始，侯相林團隊成員鄧天昇、武少弟從十余種催化劑中挑選出性能最優(yōu)的催化劑，全新的催化體系在10Kg級別的高壓反應釜連續(xù)運行超過300小時，得到了試驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)。2021年，“碳纖維增強環(huán)氧樹脂回收利用”項目，榮獲北京地區(qū)高校大學生優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團隊三等獎。這項技術(shù)就是降解碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，致力于從風機葉片中回收高價值的碳纖維。
碳纖維增強環(huán)氧樹脂的優(yōu)點多、品質(zhì)好，但是當回收這些材料時，優(yōu)點全部變成了“絆腳石”。
侯相林研究團隊采用定向解聚法（化學解聚法）處理復合材料，通過特定的溶劑及催化劑體系，國內(nèi)首創(chuàng)了在較溫和的條件下將高分子在特定的鍵位“拆解”開，形成長鏈熱塑高分子或者樹脂合成單體。這一辦法也是學術(shù)界被普遍承認的實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的好方法。
目前，全國絕大多數(shù)研究機構(gòu)都未能將熱固性樹脂的化學降解實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，研究成果多處于實驗室狀態(tài)。“我們在實驗室階段階段取得了一部分成績，現(xiàn)在正在準備進行中試放大，數(shù)據(jù)指標看，環(huán)氧樹脂降解率大于99%，回收率大于95%，碳纖維回收率大于96%，纖維強度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強度指標、模量與原絲相差無幾。”侯相林表示。
回收的樹脂產(chǎn)物可制成環(huán)氧瀝青，進一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場售價數(shù)千元乃至上萬元，高價值化學品使得回收技術(shù)“含金量十足”，預期經(jīng)濟效益十分可觀。
從廢棄PET到纖維增強環(huán)氧樹脂，從纖維增強不飽和樹脂到乙烯基樹脂，從聚氨酯材料到密胺樹脂，以熱固性樹脂為主要回收對象的環(huán)保技術(shù)，在侯相林團隊的系列技術(shù)加持下，已經(jīng)可以通過化學回收制備十余種高價值化學品。
侯相林表示，“經(jīng)過十多年的專注科研，我們有信心與企業(yè)合作擴大生產(chǎn)規(guī)模，早日‘變廢為寶’，提取出更多有價值的化學品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。”
