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回收技术·植物基环氧树脂可实现可回收碳纤维,提高大众市场电动汽车的经济性

1月前浏览319

本文摘要:(由ai生成)

美国国家可再生能源实验室(NREL)的科学家尼古拉斯·罗勒及其团队开发了一种生物基环氧树脂和酸酐硬化剂,制造出可回收的碳纤维复合材料。通过甲醇分解过程,这种材料能在室温下被有选择性地分解,实现碳纤维的回收而不影响纤维质量或取向。这项技术有望降低碳纤维成本,减少其生产过程中的温室气体排放,并使碳纤维在电动汽车等领域的应用更加经济和环保。

强度是钢的10倍,重量几乎是铝的一半,硬度远高于玻璃纤维——碳纤维具有的一系列优势,使其成为豪华轿车和一级方程式赛车的首选材料。

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但据美国国家可再生能源实验室(NREL)科学家尼古拉斯·罗勒(Nicholas Rorrer)称,它仍然需要完善才能使大众市场车辆变得经济实惠。“碳纤维很贵,”他解释道。“制造碳纤维也是能源密集型的,所以它对温室气体(GHG)并不完全友好。制造易于回收的碳纤维在这两方面都有帮助。”


由于生物基材料设计的最新进展,碳纤维的工业回收可能已经近在咫尺。


通过美国能源部车辆技术办公室支持的复合材料核心项目,Rorrer和NREL的其他研究人员已经证明,通过引入更容易降解的基团,用生物基环氧树脂和酸酐硬化剂制造碳纤维复合材料,使材料完全可回收。事实上,循环过程称为甲醇分解,可以在室温下有选择性地被触发,而不会降低纤维的质量或取向。这可能代表着向循环材料迈进了一大步,这种材料可以使碳纤维在多个生命周期中使用时更便宜、更环保。

近距离观察碳纤维

坚固、轻巧且不可回收——现今的碳纤维是通过将编织碳丝置于胶状环氧树脂中制成的,这种材料可以提高汽车性能,但无法有效回收。

碳纤维既坚固又轻巧,其优势来自其分层设计。它是由纯碳长丝和被称为“热固性树脂”的胶状环氧树脂涂层组成的复合材料。固化时,液态树脂中的分子相互结合并围绕编织碳丝,硬化成坚固而坚硬的晶格体。


当使用模具生产时,该材料可以采用各种形状,用于各种应用,从汽车保险杠到风力发电机叶片等等。


然而,固化环氧树脂的热固性使得这些优质产品难以分解,尤其是在不严重损坏碳丝的情况下。由碳纤维制成的产品(尽管价格高昂)通常会在其寿命终结时被运往垃圾填埋场,连同他们可能获取的任何效率收益。


事实上,尽管碳纤维可以将一辆典型乘用车的重量减少一半——将其燃油效率提高多达 35%——但任何效率优势都被用于制造它的温室气体密集型能源有效地抵消了。合成碳纤维需要超过1000°C的温度。


这一现实让 Rorrer 思考:“有没有办法在多种物质生命中重复使用碳纤维来回收该纤维并获得更多价值和环境效益?


通过设计使环氧树脂可回收

Rorrer 和他的团队对生物质的化学性质进行实验,以了解它是否能够制造出一种新的可回收环氧树脂。与石油中的碳氢化合物相比,生物质含有更高水平的氧和氮,提供了不同的化学可能性。

Rorrer解释说:“我们从本质上重新设计了环氧胺树脂,即线附近碳纤维中的热固性树脂,其中环氧树脂和酸酐是由生物质合成的,主要是由糖的生物和化学转化合成的。”。“我们已经证明,重新配制的树脂可以保持和/或超过今天的环氧胺树脂的所有相同性能,但也可以通过设计和室温使其可回收。”


NREL团队使用一种特殊的催化剂,能够在室温下分解生物基树脂,这一过程被称为“解聚”。这使它们能够恢复碳丝,同时保持其质量和排列。

“我们实际上可以在至少三个材料生命周期内保持纤维质量,”Rorrer 说。“因此我们不仅可以回收碳纤维;甚至还能在不损害性能的情况下进行。我们根本没有对材料进行降级循环利用。”

结合 NREL 对低成本、生物基丙烯腈作为碳纤维前驱体的研究(该研究在 2018 年获得了 R&D 100 奖),环氧树脂方面的突破可能会大大有助于使碳纤维复合材料更具成本效益和环保。


能够提取和回收碳纤维可以使这种材料对大众市场的电动汽车更加经济,从而为电池腾出重量和空间。它还将材料的温室气体排放量降低 20%–40%。更好的是,它可以在不增加制造成本的情况下实现所有这些,因为 Rorrer 估计 NREL 的环氧树脂可以以与当今石油基环氧胺树脂大致相同的价格生产。


“通过使用生物基原料而不是石化原料,我们不必使用额外的能源来大幅改造他们的化学品,”Rorrer 补充道。“这使我们能够更精确、更便宜、更有效地设计具有性能和环境优势的先进材料。”

来源:JEC

编译:赛奥碳纤维

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来源:碳纤维生产技术
复合材料化学汽车电机材料模具
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2024-06-22
最近编辑:1月前
碳纤维生产技术
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