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

文/魏道培

世界各國(guó)無(wú)時(shí)無(wú)刻不在制定著沒(méi)有浪費(fèi)的可持續(xù)性計(jì)劃，旨在2035年之前實(shí)現(xiàn)無(wú)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(qiáng)度重量比的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片中至關(guān)重要，但這屬于第一代風(fēng)力渦輪機(jī)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(lái)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(zhǎng)的壽命。

各類工藝模式的創(chuàng)新

在歐洲，德國(guó)紡織和纖維丹肯多夫研究所(DITF)開(kāi)發(fā)出能使用可回收的碳纖維(rCF)，即通過(guò)結(jié)合循環(huán)的纖維類和基于短纖維的材料來(lái)獲得，這類纖維可通過(guò)梳理過(guò)程，生產(chǎn)無(wú)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(jì)劃，并在上面建造擁有200臺(tái)海上風(fēng)力渦輪機(jī)組，該項(xiàng)目最終將能夠滿足該國(guó)的能源需求，并將剩余的能源出售給鄰國(guó)。

每個(gè)風(fēng)力渦輪機(jī)設(shè)計(jì)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(zhǎng)葉片和更大的機(jī)艙，以容納發(fā)電機(jī)組件。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，丹麥業(yè)界決定將250萬(wàn)噸復(fù)合材料用于這類風(fēng)力渦輪機(jī)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(jì)能力的做法是行業(yè)積極尋求解決可持續(xù)性問(wèn)題的關(guān)鍵。

為了這類風(fēng)機(jī)葉片具有更高的強(qiáng)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(jì)(CETEC)在開(kāi)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(mén)為生產(chǎn)這類復(fù)合材料建立了一家回收機(jī)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(guó)西門(mén)子可再生能源公司業(yè)涉入其中。丹麥能源集團(tuán)(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(jì)劃。

八仙過(guò)海似的回收創(chuàng)新

其實(shí)，風(fēng)能復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)旨在擁有更高的強(qiáng)度，使用年限更久遠(yuǎn)，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(jī)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(shù)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(shù)脂復(fù)合材料循環(huán)經(jīng)濟(jì)(CETEC)項(xiàng)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(shù)脂。然后使用“化學(xué)循環(huán)”過(guò)程進(jìn)一步分解，生產(chǎn)可用于制造新風(fēng)力渦輪機(jī)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(shù)脂材料的做法值得提倡，因?yàn)樗⒉粫?huì)失去應(yīng)有的質(zhì)量。

此外，英國(guó)蘇格蘭斯特拉斯克萊德大學(xué)（University of Strathclyde）與英國(guó)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(kāi)發(fā)回收風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的設(shè)施。該大學(xué)的再生復(fù)合強(qiáng)化型(ReCoveR)技術(shù)使玻璃增強(qiáng)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(qiáng)度卻能比原來(lái)使用的材料提高80%。該項(xiàng)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(jí)復(fù)合材料集團(tuán)負(fù)責(zé)人表示：“隨著走向更循環(huán)的經(jīng)濟(jì)，人類保持和重新部署纖維中的實(shí)體能量至關(guān)重要。”該大學(xué)另一有價(jià)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(jī)葉片得到回收利用，那么諸如飛機(jī)的整個(gè)機(jī)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(kāi)發(fā)，為越來(lái)越多的再生碳纖維提供高性能出口，業(yè)內(nèi)認(rèn)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(jì)機(jī)會(huì)。

產(chǎn)品標(biāo)新立異的創(chuàng)新

2021年年初，美國(guó)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(wàn)平方米的軸碳纖維材料，并計(jì)劃在未來(lái)兩年將其產(chǎn)能提高3倍。在美國(guó)馬薩諸塞州比勒里卡市，有一家3.7萬(wàn)平方英尺的制造工廠正全自動(dòng)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(duì)原始材料的依賴，提高環(huán)境價(jià)值。

德國(guó)迪洛機(jī)械有限公司（Dilo Machines GmbH）的無(wú)紡生產(chǎn)線也開(kāi)始采用可回收的纖維材料。無(wú)紡和現(xiàn)代化的試驗(yàn)工廠被設(shè)計(jì)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(jī)，也受到進(jìn)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(kāi)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(guó)復(fù)合材料制造商（Sicomin）也相繼開(kāi)發(fā)出新型的風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組件的蓋子，其相關(guān)材料也采用了（bTex）亞麻強(qiáng)化型纖維，其中還摻入了經(jīng)FSC認(rèn)證的木芯和生物基810綠色環(huán)氧樹(shù)脂。事實(shí)上，亞麻纖維比原始玻璃纖維對(duì)環(huán)境的影響更小，而技術(shù)的可擴(kuò)展性更大，并有可行的壽命期。據(jù)估計(jì)，與現(xiàn)有的強(qiáng)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(guò)去的傳統(tǒng)紡織與無(wú)紡業(yè)所采用的材料正在成為新興行業(yè)中更有價(jià)值的材料。鑒于全球業(yè)界都對(duì)可回收復(fù)合材料部件的新工藝的興趣和可用性，原來(lái)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(guó)《高級(jí)紡織資源》https://advancedtextilessource.com/2021/06/14/textiles-role-in-a-growing-energy-industry/近期資料）