纖維在不斷增長的能源產業中的創新應用

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性計劃，旨在2035年之前實現無碳能源的目標。海上風電是尋求將環境、就業和工業效益相結合的愿景，也是可持續性的重要組成部分。碳纖維和玻璃纖維在建造高強度重量比的風力渦輪機葉片中至關重要，但這屬于第一代風力渦輪機葉片，其壽命受到一定限制；而傳統紡織業所使用的材料因其可回收性而越來越多地受到風能業界的重視，只因用這類材料制造的葉片本身具有更長的壽命。

各類工藝模式的創新

在歐洲，德國紡織和纖維丹肯多夫研究所(DITF)開發出能使用可回收的碳纖維(rCF)，即通過結合循環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，生產無紡品和紗線生產所需的半成品，即定向生產循環纖維網和基質纖維。2021年3月，丹麥政府批準了建造一人工島的計劃，并在上面建造擁有200臺海上風力渦輪機組，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。

每個風力渦輪機設計高度為260米左右。為最大限度地提高能源產能，這需要相應的更長葉片和更大的機艙，以容納發電機組件。為了實現這個目標，丹麥業界決定將250萬噸復合材料用于這類風力渦輪機組葉片。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。這種尋求循環利用和經濟能力的做法是行業積極尋求解決可持續性問題的關鍵。

為了這類風機葉片具有更高的強度，他們大量采用熱固性環氧復合材料，使循環經濟(CETEC)在開發復合風力葉片的回收工藝上更具有意義。歐洲一家復合材料聯盟（Decom Blades）專門為生產這類復合材料建立了一家回收機構，其成員包括關鍵行業參與者，涉及風能、風力系統、電力公司、回收和半導體行業。德國西門子可再生能源公司業涉入其中。丹麥能源集團(ECD)、南丹麥大學(SDU)和丹麥理工大學(DTU)紛紛參與了這類創新的風電材料研發計劃。

八仙過海似的回收創新

其實，風能復合材料的開發旨在擁有更高的強度，使用年限更久遠，這類研發被歸納為三種創新方法和三種方向。第一種是粉碎舊的風力渦輪機葉片，使回收材料可在不同的產品和工藝中重復使用；第二種是在水泥生產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合材料的方法。維斯塔思公司、全球化學奧林環氧樹脂公司（Global Chemical Company Olin Epoxy)和丹麥合作大學都創建了熱固性環氧樹脂復合材料循環經濟(CETEC)項目，這是作為提高回收目標的一步。

其中一種方法包括將復合材料分解成纖維和環氧樹脂。然后使用“化學循環”過程進一步分解，生產可用于制造新風力渦輪機葉片的材料。環氧基材料的化學循環使高度穩定的聚合物鏈能夠轉化為分子構建塊。這種把舊材料加工為新的環氧樹脂材料的做法值得提倡，因為它并不會失去應有的質量。

此外，英國蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學（University of Strathclyde）與英國艾可兒（Aker）海上風能企業和下屬投資公司簽署一份諒解備忘錄(MOU)，以開發回收風力渦輪機葉片的設施。該大學的再生復合強化型(ReCoveR)技術使玻璃增強塑料(GRP)能夠回收到“接近原始質量”的玻璃纖維，可以在復合材料中重復利用，而材料強度卻能比原來使用的材料提高80%。該項技術包括從玻璃鋼復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。該大學高級復合材料集團負責人表示：“隨著走向更循環的經濟，人類保持和重新部署纖維中的實體能量至關重要。”該大學另一有價值的研發是使其研發成本僅為原始玻璃纖維生產的80%。有公司稱，一旦風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的開發，為越來越多的再生碳纖維提供高性能出口，業內認為這為復合材料和輕質材料行業創造著新的經濟機會。

產品標新立異的創新

2021年年初，美國一家公司受委托研發出一條商業生產線，每年生產80萬平方米的軸碳纖維材料，并計劃在未來兩年將其產能提高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著高質量的控制和可追溯設備。旨在生產更能替代重金屬的產品，減少對原始材料的依賴，提高環境價值。

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

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

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