然而，碳纖維仍需得到進(jìn)一步的完善，以為大眾汽車市場(chǎng)的應(yīng)用提供必要的經(jīng)濟(jì)性。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的科學(xué)家Nicholas Rorrer解釋說：“碳纖維很貴，制造它需要消耗大量的能源，所以從這個(gè)角度來(lái)講，它并不利于控制溫室氣體（GHG）排放。但如果使碳纖維變得更易于回收，將有助于改善這一狀況。”

 

憑借在生物基材料設(shè)計(jì)方面的最新進(jìn)展，以工業(yè)化的規(guī)模回收碳纖維可能已經(jīng)近在咫尺。

 

     在由美國(guó)能源部車輛技術(shù)辦公室支持的Composites Core Program項(xiàng)目下，Rorrer與NREL的其他研究人員已經(jīng)揭示了采用生物基環(huán)氧樹脂和一種酸酐固化劑制造的碳纖維復(fù)合材料，通過引入更容易降解的交聯(lián)劑，使材料完全可回收。事實(shí)上，這種名為甲醇分解的回收過程可以在室溫下有選擇性地觸發(fā)，而不降低纖維的質(zhì)量或改變其取向。這意味著向循環(huán)經(jīng)濟(jì)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，可以使碳纖維在多樣化的應(yīng)用中變得更便宜、更環(huán)保。

 

近距離了解碳纖維

    強(qiáng)大、輕質(zhì)且不可回收——今天的碳纖維復(fù)合材料是通過將編織的碳纖維長(zhǎng)絲浸入到膠狀的環(huán)氧樹脂中制成的，由此而產(chǎn)生的材料可以提高汽車的性能但不能有效回收

 

    既強(qiáng)壯又輕質(zhì)，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)來(lái)自于其分層設(shè)計(jì)，它是由純的碳纖維長(zhǎng)絲與熱固性的膠狀環(huán)氧樹脂組合而成的一種復(fù)合材料。固化時(shí)，液體樹脂中的分子相互結(jié)合在一起并圍繞著編織的碳纖維長(zhǎng)絲，從而硬化成強(qiáng)而堅(jiān)固的網(wǎng)格狀物。

 

    在模具中成型時(shí)，這種材料可以形成多種應(yīng)用的多種形狀，從汽車保險(xiǎn)杠到風(fēng)機(jī)葉片等。

 

    然而，固化后環(huán)氧樹脂的熱固性特征，使得這些優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品難以分解，尤其是不會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞碳纖維長(zhǎng)絲。因此，盡管價(jià)格昂貴，但碳纖維制品在使用壽命結(jié)束后往往被送入垃圾填埋場(chǎng)。

 

    雖然碳纖維可以將傳統(tǒng)乘用車的重量減半，從而將燃油效率提升35%，但其任何提高效率的優(yōu)勢(shì)都被制造它所消耗的能源以及大量的溫室氣體排放抵消掉了。合成碳纖維需要的溫度超過1000℃。

 

    這一現(xiàn)實(shí)讓Rorrer想到：“有沒有一種方法可以多次重復(fù)使用碳纖維，通過回收這些纖維來(lái)獲得更多的價(jià)值和環(huán)境效益呢？”

 

通過設(shè)計(jì)使環(huán)氧樹脂可回收

 

    Rorrer及其同事們開始研究生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)，以了解是否可以利用這些化學(xué)性質(zhì)來(lái)設(shè)計(jì)一種可以得到回收的新的環(huán)氧樹脂。與石油中的碳?xì)浠衔锵啾龋镔|(zhì)中含有更多的氧氣和氮?dú)? 它們提供了不同的化學(xué)可能性。

 

    “我們以生物質(zhì)為原料合成環(huán)氧和酸酐，基本上重新設(shè)計(jì)了環(huán)氧胺樹脂。”Rorrer解釋說，“我們已經(jīng)證明，重新配制的樹脂可以保持或超越今天的環(huán)氧胺樹脂的所有性能，同時(shí)還可以通過設(shè)計(jì)使它們?cè)谑覝叵戮哂锌苫厥招浴?rdquo;

 

    采用一種特殊的催化劑，NREL團(tuán)隊(duì)能夠在室溫下分解這種生物基樹脂，這是一個(gè)被稱為解聚的過程，使他們能夠回收碳纖維長(zhǎng)絲并保持纖維的質(zhì)量和取向。

 

    “我們至少可以在3次復(fù)合材料的生命周期中保持纖維的質(zhì)量。”Rorrer 說道，“所以我們不僅可以回收它，還可以循環(huán)利用它而不會(huì)損害它的性能。”

 

    結(jié)合NREL對(duì)生物基丙烯腈作為碳纖維原料的研究，這項(xiàng)在環(huán)氧樹脂上的突破可以大大提高碳纖維復(fù)合材料的成本效益和環(huán)境友好性。

 

    對(duì)碳纖維的提取和回收，使得這種材料對(duì)于大眾化的電動(dòng)汽車市場(chǎng)而言更加經(jīng)濟(jì)適用，能夠抵消電池帶來(lái)的額外重量，還能夠?qū)⑦@種材料引發(fā)的碳排放降低20%～40%。更重要的是，可以在不增加制造成本的情況下實(shí)現(xiàn)這一切。按照Rorrer的估算，NREL的環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)成本與今天的石油基環(huán)氧胺樹脂的大致相當(dāng)。

 

    “通過用生物原料取代石油原料，我們不必消耗額外的能量來(lái)重組它們的化學(xué)成分。”Rorrer 補(bǔ)充道，“這使我們能夠以更低的成本更精確、更有效地設(shè)計(jì)具有性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)的先進(jìn)材料。”