纖維在不斷增長的能源產(chǎn)業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用

文/魏道培

世界各國無時無刻不在制定著沒有浪費的可持續(xù)性計劃，旨在2035年之前實現(xiàn)無碳能源的目標(biāo)。海上風(fēng)電是尋求將環(huán)境、就業(yè)和工業(yè)效益相結(jié)合的愿景，也是可持續(xù)性的重要組成部分。碳纖維和玻璃纖維在建造高強度重量比的風(fēng)力渦輪機葉片中至關(guān)重要，但這屬于第一代風(fēng)力渦輪機葉片，其壽命受到一定限制；而傳統(tǒng)紡織業(yè)所使用的材料因其可回收性而越來越多地受到風(fēng)能業(yè)界的重視，只因用這類材料制造的葉片本身具有更長的壽命。

各類工藝模式的創(chuàng)新

在歐洲，德國紡織和纖維丹肯多夫研究所(DITF)開發(fā)出能使用可回收的碳纖維(rCF)，即通過結(jié)合循環(huán)的纖維類和基于短纖維的材料來獲得，這類纖維可通過梳理過程，生產(chǎn)無紡品和紗線生產(chǎn)所需的半成品，即定向生產(chǎn)循環(huán)纖維網(wǎng)和基質(zhì)纖維。2021年3月，丹麥政府批準(zhǔn)了建造一人工島的計劃，并在上面建造擁有200臺海上風(fēng)力渦輪機組，該項目最終將能夠滿足該國的能源需求，并將剩余的能源出售給鄰國。

每個風(fēng)力渦輪機設(shè)計高度為260米左右。為最大限度地提高能源產(chǎn)能，這需要相應(yīng)的更長葉片和更大的機艙，以容納發(fā)電機組件。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，丹麥業(yè)界決定將250萬噸復(fù)合材料用于這類風(fēng)力渦輪機組葉片。一旦壽命期將至，那么其中至少有85%～90%的廢料能夠回收利用。這種尋求循環(huán)利用和經(jīng)濟能力的做法是行業(yè)積極尋求解決可持續(xù)性問題的關(guān)鍵。

為了這類風(fēng)機葉片具有更高的強度，他們大量采用熱固性環(huán)氧復(fù)合材料，使循環(huán)經(jīng)濟(CETEC)在開發(fā)復(fù)合風(fēng)力葉片的回收工藝上更具有意義。歐洲一家復(fù)合材料聯(lián)盟（Decom Blades）專門為生產(chǎn)這類復(fù)合材料建立了一家回收機構(gòu)，其成員包括關(guān)鍵行業(yè)參與者，涉及風(fēng)能、風(fēng)力系統(tǒng)、電力公司、回收和半導(dǎo)體行業(yè)。德國西門子可再生能源公司業(yè)涉入其中。丹麥能源集團(ECD)、南丹麥大學(xué)(SDU)和丹麥理工大學(xué)(DTU)紛紛參與了這類創(chuàng)新的風(fēng)電材料研發(fā)計劃。

八仙過海似的回收創(chuàng)新

其實，風(fēng)能復(fù)合材料的開發(fā)旨在擁有更高的強度，使用年限更久遠，這類研發(fā)被歸納為三種創(chuàng)新方法和三種方向。第一種是粉碎舊的風(fēng)力渦輪機葉片，使回收材料可在不同的產(chǎn)品和工藝中重復(fù)使用；第二種是在水泥生產(chǎn)中按比例摻入碎片材料；第三種使用熱解工藝，這是一種使用高溫分離復(fù)合材料的方法。維斯塔思公司、全球化學(xué)奧林環(huán)氧樹脂公司（Global Chemical Company Olin Epoxy)和丹麥合作大學(xué)都創(chuàng)建了熱固性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料循環(huán)經(jīng)濟(CETEC)項目，這是作為提高回收目標(biāo)的一步。

其中一種方法包括將復(fù)合材料分解成纖維和環(huán)氧樹脂。然后使用“化學(xué)循環(huán)”過程進一步分解，生產(chǎn)可用于制造新風(fēng)力渦輪機葉片的材料。環(huán)氧基材料的化學(xué)循環(huán)使高度穩(wěn)定的聚合物鏈能夠轉(zhuǎn)化為分子構(gòu)建塊。這種把舊材料加工為新的環(huán)氧樹脂材料的做法值得提倡，因為它并不會失去應(yīng)有的質(zhì)量。

此外，英國蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學(xué)（University of Strathclyde）與英國艾可兒（Aker）海上風(fēng)能企業(yè)和下屬投資公司簽署一份諒解備忘錄(MOU)，以開發(fā)回收風(fēng)力渦輪機葉片的設(shè)施。該大學(xué)的再生復(fù)合強化型(ReCoveR)技術(shù)使玻璃增強塑料(GRP)能夠回收到“接近原始質(zhì)量”的玻璃纖維，可以在復(fù)合材料中重復(fù)利用，而材料強度卻能比原來使用的材料提高80%。該項技術(shù)包括從玻璃鋼復(fù)合廢物中回收玻璃纖維的熱處理工藝，他們確信，這一工藝可有效地處理受污染的材料和其他廢物。該大學(xué)高級復(fù)合材料集團負責(zé)人表示：“隨著走向更循環(huán)的經(jīng)濟，人類保持和重新部署纖維中的實體能量至關(guān)重要?！痹摯髮W(xué)另一有價值的研發(fā)是使其研發(fā)成本僅為原始玻璃纖維生產(chǎn)的80%。有公司稱，一旦風(fēng)機葉片得到回收利用，那么諸如飛機的整個機身都屬于類似材料，也能獲得回收利用。因此，上述公司加速回收碳纖維技術(shù)的開發(fā)，為越來越多的再生碳纖維提供高性能出口，業(yè)內(nèi)認為這為復(fù)合材料和輕質(zhì)材料行業(yè)創(chuàng)造著新的經(jīng)濟機會。

產(chǎn)品標(biāo)新立異的創(chuàng)新

2021年年初，美國一家公司受委托研發(fā)出一條商業(yè)生產(chǎn)線，每年生產(chǎn)80萬平方米的軸碳纖維材料，并計劃在未來兩年將其產(chǎn)能提高3倍。在美國馬薩諸塞州比勒里卡市，有一家3.7萬平方英尺的制造工廠正全自動地生產(chǎn)著高質(zhì)量的控制和可追溯設(shè)備。旨在生產(chǎn)更能替代重金屬的產(chǎn)品，減少對原始材料的依賴，提高環(huán)境價值。

德國迪洛機械有限公司（Dilo Machines GmbH）的無紡生產(chǎn)線也開始采用可回收的纖維材料。無紡和現(xiàn)代化的試驗工廠被設(shè)計得具有生產(chǎn)導(dǎo)電碳纖維的能力。天然纖維復(fù)合材料(NFC)公司近期研發(fā)的生物基替代品，即大型復(fù)合材料玻璃纖維和碳纖維材料應(yīng)用于風(fēng)力渦輪機，也受到進一步的關(guān)注。丹麥稱為綠色船（Greenboats）的可持續(xù)復(fù)合材料公司開發(fā)出基于生物并應(yīng)用于玻璃纖維和碳纖維的材料，而瑞士復(fù)合材料公司（Bcomp）和法國復(fù)合材料制造商（Sicomin）也相繼開發(fā)出新型的風(fēng)力渦輪機發(fā)電機組件的蓋子，其相關(guān)材料也采用了（bTex）亞麻強化型纖維，其中還摻入了經(jīng)FSC認證的木芯和生物基810綠色環(huán)氧樹脂。事實上，亞麻纖維比原始玻璃纖維對環(huán)境的影響更小，而技術(shù)的可擴展性更大，并有可行的壽命期。據(jù)估計，與現(xiàn)有的強化玻璃纖維塑料（GFRP）制造技術(shù)相比，NFC材料結(jié)構(gòu)節(jié)省了約60%的二氧化碳排放，即將能耗降低50%以上。

綜上所述，過去的傳統(tǒng)紡織與無紡業(yè)所采用的材料正在成為新興行業(yè)中更有價值的材料。鑒于全球業(yè)界都對可回收復(fù)合材料部件的新工藝的興趣和可用性，原來僅用于紡織業(yè)的工藝正在成為可持續(xù)性風(fēng)能解決方案的重要組成部分。

（據(jù)美國《高級紡織資源》https://advancedtextilessource.com/2021/06/14/textiles-role-in-a-growing-energy-industry/近期資料）