風(fēng)力發(fā)電機(jī)外號(hào)白色巨人，它們聳立在荒野、山巔和海岸線，源源不斷地將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能。最讓人矚目的就是它巨大的葉片，長(zhǎng)達(dá)上百米、重達(dá)數(shù)十噸的龐然大物，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，它不僅造價(jià)高昂，占風(fēng)機(jī)成本的20%~30%，而且所用的復(fù)合材料既有較輕的重量，也具有較高的強(qiáng)度，抗腐蝕、耐疲勞等性能優(yōu)異。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的壽命一般在20~25年，我國(guó)本世紀(jì)初新建的一批風(fēng)電機(jī)組即將退役，再加上損壞的、生產(chǎn)葉片時(shí)的邊角料，全都面臨著回收困難。實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片全生命周期的綠色化、無(wú)害化，一直是風(fēng)電全行業(yè)追求的目標(biāo)。
中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所侯相林研究員團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年的潛心研究，掌握了“拆解”風(fēng)機(jī)葉片主要材質(zhì)——熱固性碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料的辦法，讓這種最“頑固”固體廢料回歸本源，補(bǔ)齊了綠色回收最關(guān)鍵的一環(huán)，教科書(shū)里的“終極”材料從此不再“終極”。
教科書(shū)里的“終極材料”
風(fēng)機(jī)廠商在葉片外殼上常采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂，葉尖、葉片主梁則采用強(qiáng)度更高的碳纖維。這些高端材料結(jié)構(gòu)極其堅(jiān)固，而且空氣動(dòng)力性好，可以把葉片做的更輕、更長(zhǎng)，讓風(fēng)機(jī)吸收更多的風(fēng)能。
玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂在其中占比超約3成，屬于熱固性樹(shù)脂復(fù)合材料，相當(dāng)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(dāng)于混凝土中的鋼筋，占比約7成。兩者結(jié)合，堅(jiān)不可摧。
熱固性樹(shù)脂有個(gè)外號(hào)，“終極材料”。它是一種高分子聚合物材料，在聚合過(guò)程后，這種交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能重復(fù)加工成型，所以回收利用幾乎是不可能完成的任務(wù)。
侯相林舉例時(shí)說(shuō)，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(shù)脂的分子鏈為體型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是一個(gè)剛性的三維網(wǎng)絡(luò)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(shù)脂為基礎(chǔ)制成的復(fù)合材料單位密度只有鋼鐵的1/4，同等重量的材料力學(xué)性能卻是金屬的好幾倍。
“終極材料”的名頭可見(jiàn)一斑。
難以處理的固體廢物
從風(fēng)電機(jī)組服役年限來(lái)看，到2025年左右，我國(guó)將迎來(lái)一大波風(fēng)電葉片報(bào)廢潮。到2030年，我國(guó)將有超過(guò)3萬(wàn)臺(tái)風(fēng)電機(jī)組面臨換新，而到2035年這一數(shù)字將超過(guò) 9 萬(wàn)臺(tái)……
而且今年受風(fēng)電搶裝潮影響和原材料的限制，葉片市場(chǎng)甚至供不應(yīng)求，回收這種高價(jià)值材料的技術(shù)需求越來(lái)越大。實(shí)現(xiàn)風(fēng)電葉片全生命周期的綠色化、無(wú)害化，一直是風(fēng)電全行業(yè)追求的目標(biāo)。
以侯相林為團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人的山西煤化所311課題組多年來(lái)瞄準(zhǔn)對(duì)熱固性樹(shù)脂開(kāi)發(fā)利用方向，產(chǎn)出一系列研究成果及專(zhuān)利技術(shù)，蘊(yùn)含了多項(xiàng)國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，形成了一套極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的化學(xué)降解綜合開(kāi)發(fā)工藝?！熬驮谶@幾年，國(guó)內(nèi)在本世紀(jì)初裝機(jī)的一大批風(fēng)電機(jī)組也面臨著大規(guī)模集中退役，回收風(fēng)電葉片里面的復(fù)合材料應(yīng)該提上日程了”，侯相林開(kāi)展這方面的研究領(lǐng)域遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于葉片大規(guī)模退役的時(shí)間，“國(guó)外研究團(tuán)隊(duì)也在開(kāi)展相關(guān)研究，但是沒(méi)有任何一個(gè)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(jià)值，但是都一籌莫展”。
填埋不可降解，它會(huì)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(guó)內(nèi)外有的企業(yè)想嘗試熱塑性樹(shù)脂代替熱固性樹(shù)脂制造復(fù)合材料，有的企業(yè)只能回收復(fù)合材料里的一部分玻璃纖維，但是風(fēng)電行業(yè)相對(duì)來(lái)講是一個(gè)新興行業(yè)，在風(fēng)機(jī)葉片的實(shí)際處理方面經(jīng)驗(yàn)很少，真正想要做到產(chǎn)業(yè)化，有人預(yù)測(cè)還需要20年以上的時(shí)間。
2020年9月1日，《中華人民共和國(guó)固體廢物污染環(huán)境防治法》頒布實(shí)施。新法明確表示，產(chǎn)生工業(yè)固體廢物的單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件對(duì)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(zhuān)業(yè)從事固廢研究的侯相林團(tuán)隊(duì)提供了一個(gè)契機(jī)。
國(guó)內(nèi)諸多風(fēng)電機(jī)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(fèi)委托給專(zhuān)業(yè)公司，而承攬這些業(yè)務(wù)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(shù)脂并沒(méi)有消失，所謂的“專(zhuān)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(tuán)隊(duì)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(jià)值化學(xué)品，完成了風(fēng)機(jī)葉片綠色回收利用的閉環(huán)。
“拆解”分子鏈
2019年開(kāi)始，侯相林團(tuán)隊(duì)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(jí)別的高壓反應(yīng)釜連續(xù)運(yùn)行超過(guò)300小時(shí)，得到了試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)。2021年，“碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂回收利用”項(xiàng)目，榮獲北京地區(qū)高校大學(xué)生優(yōu)秀創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)三等獎(jiǎng)。這項(xiàng)技術(shù)就是降解碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，致力于從風(fēng)機(jī)葉片中回收高價(jià)值的碳纖維。
碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的優(yōu)點(diǎn)多、品質(zhì)好，但是當(dāng)回收這些材料時(shí)，優(yōu)點(diǎn)全部變成了“絆腳石”。
侯相林研究團(tuán)隊(duì)采用定向解聚法（化學(xué)解聚法）處理復(fù)合材料，通過(guò)特定的溶劑及催化劑體系，國(guó)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(kāi)，形成長(zhǎng)鏈熱塑高分子或者樹(shù)脂合成單體。這一辦法也是學(xué)術(shù)界被普遍承認(rèn)的實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的好方法。
目前，全國(guó)絕大多數(shù)研究機(jī)構(gòu)都未能將熱固性樹(shù)脂的化學(xué)降解實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，研究成果多處于實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)。“我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室階段階段取得了一部分成績(jī)，現(xiàn)在正在準(zhǔn)備進(jìn)行中試放大，數(shù)據(jù)指標(biāo)看，環(huán)氧樹(shù)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(qiáng)度損失小于5%，回收的碳纖維單絲強(qiáng)度指標(biāo)、模量與原絲相差無(wú)幾?！焙钕嗔直硎?。
回收的樹(shù)脂產(chǎn)物可制成環(huán)氧瀝青，進(jìn)一步處理可以得到雙酚A等，每噸市場(chǎng)售價(jià)數(shù)千元乃至上萬(wàn)元，高價(jià)值化學(xué)品使得回收技術(shù)“含金量十足”，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。
從廢棄PET到纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂，從纖維增強(qiáng)不飽和樹(shù)脂到乙烯基樹(shù)脂，從聚氨酯材料到密胺樹(shù)脂，以熱固性樹(shù)脂為主要回收對(duì)象的環(huán)保技術(shù)，在侯相林團(tuán)隊(duì)的系列技術(shù)加持下，已經(jīng)可以通過(guò)化學(xué)回收制備十余種高價(jià)值化學(xué)品。
侯相林表示，“經(jīng)過(guò)十多年的專(zhuān)注科研，我們有信心與企業(yè)合作擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，早日‘變廢為寶’，提取出更多有價(jià)值的化學(xué)品，創(chuàng)造更大的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益?！?/p>
