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風(fēng)能有助于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的去碳化，但風(fēng)力葉片不可回收，目前的報(bào)廢管理策略也不具有可持續(xù)性。動態(tài)熱固性材料，即共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò) (CAN) 和 vitrimer，正在成為傳統(tǒng)交聯(lián)聚合物的可持續(xù)替代品。

為了解決可持續(xù)能源基礎(chǔ)設(shè)施中的材料可回收性難題，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室Nicholas A. Rorrer教授與Robynne E. Murray教授引入了可擴(kuò)展的生物質(zhì)衍生聚酯共價(jià)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，用于可回收風(fēng)力葉片的制造。通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究，包括9米風(fēng)力葉片原型的真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型，他們證明了這種材料與現(xiàn)有制造技術(shù)的無縫對接技術(shù)準(zhǔn)備就緒，與現(xiàn)有材料相比具有更優(yōu)越的性能，以及實(shí)用的報(bào)廢化學(xué)可回收性。最值得注意的是，盡管采用了動態(tài)交聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但該材料的蠕變抑制能力卻超越了業(yè)界最先進(jìn)的熱固性材料，這一點(diǎn)與直覺相反?？傊?，本文詳細(xì)介紹了風(fēng)能葉片制造的方方面面，包括化學(xué)、工程、安全、機(jī)械分析、耐候性和化學(xué)可回收性，從而為實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)可衍生、可回收的風(fēng)能葉片提供了現(xiàn)實(shí)途徑。相關(guān)研究成果以題為“Manufacture and testing of biomass-derivable thermosets for wind blade recycling”發(fā)表在最新一期《Science》上。

策略設(shè)計(jì)

PECAN是通過改變生物質(zhì)衍生的山梨醇多縮水甘油醚(SPGE)和丁二醇二縮水甘油醚(BDGE)的比例來配制的，它們是影響熱固性材料網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵成分。通過優(yōu)化這一比例，研究人員能夠開發(fā)出一種在80°C下5小時(shí)內(nèi)固化的樹脂(PECAN-15)，無需額外的后固化步驟，從而提高了材料的可持續(xù)性和可制造性。

PECAN 材料的性能測試非常嚴(yán)格，重點(diǎn)關(guān)注對風(fēng)力葉片應(yīng)用至關(guān)重要的關(guān)鍵機(jī)械和熱性能。將 PECAN 與兩種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行了比較：Elium-188O（一種建議用于可回收風(fēng)力葉片的熱塑性塑料）和 RIMR-135（一種在行業(yè)中廣泛使用的不可回收環(huán)氧胺熱固性材料）。

拉伸強(qiáng)度和模量：拉伸測試表明，與 Elium-188O 和 RIMR-135 相比，PECAN-15 和 PECAN-35 表現(xiàn)出優(yōu)異的極限拉伸強(qiáng)度 (σB)、斷裂伸長率 (εB) 和楊氏模量 (E)。具體而言，PECAN-15 顯示出約 80 MPa 的極限拉伸強(qiáng)度和約 3.0 GPa 的楊氏模量，優(yōu)于具有較低值的 Elium-188O 和 RIMR-135。

韌性：PECAN-15 和 PECAN-35 的拉伸韌性 (UT) 是材料在失效前可以吸收的能量的量度，也較高。這表明這些材料可以更好地承受機(jī)械應(yīng)力，這對于風(fēng)力葉片的長期耐用性至關(guān)重要。

動態(tài)機(jī)械分析 (DMA)： DMA 結(jié)果表明，PECAN 材料比對比材料具有更高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 (Tg)，PECAN-15 的 Tg 為 103°C，PECAN-35 的 Tg 為 128°C 。這些值明顯高于 Elium-188O (96°C) 和 RIMR-135 (95°C) 的值，表明 PECAN 在較高溫度下保持其結(jié)構(gòu)完整性。

儲能模量 (E')： PECAN 的儲能模量反映了材料的剛度，PECAN-35 的 E' 約為 2.0 GPa，而 Elium-188O 的 E' 為 1.4 GPa，Elium-188O 的 E' 為 1.8 GPa。RIMR-135。這種更高的剛度表明更好的承載能力。影響材料彈性和熱穩(wěn)定性的交聯(lián)密度，PECAN-35 (1.22 mol cm−3) 明顯高于 PECAN-15 (0.59 mol cm−3) 和 RIMR-135 (0.38 mol cm−3)。PECAN-35 中較高的交聯(lián)密度有助于其卓越的熱性能和機(jī)械性能。

圖1 聚酯共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)（PECAN）平臺

制造和測試復(fù)合材料

PECAN 的可制造性使用真空輔助樹脂傳遞模塑 (VARTM) 進(jìn)行評估，這是一種生產(chǎn)大型復(fù)合材料的常見工業(yè)技術(shù)。本節(jié)的主要觀察結(jié)果包括：

（1）流變學(xué)和固化：PECAN-15 的預(yù)固化粘度為 103 厘泊 (cP)，與 Elium-188O (285 cP) 和 RIMR-135 (282 cP) 的粘度相當(dāng)。這種低粘度對于 VARTM 過程中有效的樹脂灌注至關(guān)重要，確保纖維增強(qiáng)材料的適當(dāng)潤濕。使用 COMSOL Multiphysics 對固化過程進(jìn)行建模，以預(yù)測固化過程中的放熱行為和溫度曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果非常吻合，PECAN-15 在復(fù)合板固化過程中的峰值放熱溫度達(dá)到 91°C 左右。這證實(shí)了 PECAN-15 可以安全地?cái)U(kuò)大規(guī)模以進(jìn)行大規(guī)模制造，例如生產(chǎn) 9 米的風(fēng)力葉片原型。

（2）復(fù)合材料的機(jī)械測試：所有測試材料的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (FRC) 面板的拉伸強(qiáng)度相似，PECAN-15 和 RIMR-135 的極限拉伸應(yīng)力約為 1.1 GPa。RIMR-135在橫向拉伸測試中顯示出最高的纖維間破壞強(qiáng)度，表明纖維與樹脂之間的粘合力更強(qiáng)。然而，PECAN-15 也表現(xiàn)良好，表明它可以實(shí)現(xiàn)與纖維增強(qiáng)材料相當(dāng)?shù)恼澈?。短梁剪切測試評估樹脂-纖維相互作用，結(jié)果表明 PECAN-15 和 PECAN-35 的剪切強(qiáng)度與 RIMR-135 相當(dāng)，值約為 41 至 43 MPa，顯著優(yōu)于 Elium-188O。蠕變測試測量材料在持續(xù)應(yīng)力下隨時(shí)間的變形情況，結(jié)果表明 PECAN 復(fù)合材料與 RIMR-135 相比具有優(yōu)異的抗蠕變性。尤其是 PECAN-35，其蠕變應(yīng)變僅為 10%，優(yōu)于靜態(tài) RIMR-135 復(fù)合材料。

圖2 PECAN 放大、建模和復(fù)合材料制造

圖3 純樹脂和 FRC 熱機(jī)械和流變分析

加速老化測試的目的是評估PECAN基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRC)在模擬長期戶外暴露的環(huán)境條件下的耐久性。該測試對于確定材料是否適合用于風(fēng)力渦輪機(jī)葉片至關(guān)重要，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片必須承受數(shù)十年的惡劣天氣條件。PECAN基復(fù)合材料（PECAN-15和PECAN-35）比傳統(tǒng)熱固性材料(RIMR-135)和熱塑性材料(Elium-188O)復(fù)合材料明顯更能抵抗環(huán)境降解。PECAN材料更好地保持了機(jī)械性能，變色最小，并且對紫外線引起的光降解和吸水性表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗力。這些結(jié)果表明PECAN非常適合長期戶外應(yīng)用，例如風(fēng)力渦輪機(jī)葉片，其中環(huán)境適應(yīng)能力至關(guān)重要。

圖4 復(fù)合材料加速風(fēng)化

可回收性

作者廣泛討論了 PECAN 復(fù)合材料的化學(xué)可回收性，重點(diǎn)關(guān)注甲醇分解作為解構(gòu)熱固性基體和回收增強(qiáng)纖維的主要方法。

解構(gòu)過程：來自 9 米風(fēng)力葉片原型的 PECAN-15 復(fù)合材料已成功解構(gòu)，甲醇分解過程在 225°C 下進(jìn)行。該工藝回收了 64.3% 的纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并通過熱重分析 (TGA) 證實(shí)不含殘留樹脂。掃描電子顯微鏡 (SEM) 證實(shí)，回收的纖維是干凈的，沒有表現(xiàn)出明顯的降解。該過程具有可擴(kuò)展性，從實(shí)驗(yàn)室測試中的 5 克樣品轉(zhuǎn)移到工業(yè)反應(yīng)器中的 500 克樣品。

回收材料的再利用：回收的纖維保留了其機(jī)械性能，例如拉伸強(qiáng)度和模量，使其適合在新型復(fù)合材料中重復(fù)使用。從解構(gòu)過程中回收的二酯和多元醇產(chǎn)品也可重新用于新的聚合物合成，例如制造剛性和彈性聚氨酯。這一閉環(huán)流程展示了 PECAN 為風(fēng)力渦輪機(jī)制造的循環(huán)經(jīng)濟(jì)做出貢獻(xiàn)的潛力。

圖5 報(bào)廢風(fēng)力葉片回收

總結(jié)展望

PECAN樹脂代表了風(fēng)力渦輪機(jī)葉片復(fù)合材料領(lǐng)域的重大進(jìn)步。研究表明，PECAN可以使用現(xiàn)有的工業(yè)流程進(jìn)行制造，具有卓越的機(jī)械和熱性能，并且可以在生命周期結(jié)束時(shí)有效回收。這使得PECAN成為傳統(tǒng)熱固性材料的可行且可持續(xù)的替代品，并有可能顯著減少風(fēng)力渦輪機(jī)廢物對環(huán)境的影響。

來源：高分子科學(xué)前沿

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp5395