纤维在不断增长的能源产业中的创新应用

文/魏道培

世界各国无时无刻不在制定着没有浪费的可持续性计划，旨在2035年之前实现无碳能源的目标。海上风电是寻求将环境、就业和工业效益相结合的愿景，也是可持续性的重要组成部分。碳纤维和玻璃纤维在建造高强度重量比的风力涡轮机叶片中至关重要，但这属于第一代风力涡轮机叶片，其寿命受到一定限制；而传统纺织业所使用的材料因其可回收性而越来越多地受到风能业界的重视，只因用这类材料制造的叶片本身具有更长的寿命。

各类工艺模式的创新

在欧洲，德国纺织和纤维丹肯多夫研究所(DITF)开发出能使用可回收的碳纤维(rCF)，即通过结合循环的纤维类和基于短纤维的材料来获得，这类纤维可通过梳理过程，生产无纺品和纱线生产所需的半成品，即定向生产循环纤维网和基质纤维。2021年3月，丹麦政府批准了建造一人工岛的计划，并在上面建造拥有200台海上风力涡轮机组，该项目最终将能够满足该国的能源需求，并将剩余的能源出售给邻国。

每个风力涡轮机设计高度为260米左右。为最大限度地提高能源产能，这需要相应的更长叶片和更大的机舱，以容纳发电机组件。为了实现这个目标，丹麦业界决定将250万吨复合材料用于这类风力涡轮机组叶片。一旦寿命期将至，那么其中至少有85%～90%的废料能够回收利用。这种寻求循环利用和经济能力的做法是行业积极寻求解决可持续性问题的关键。

为了这类风机叶片具有更高的强度，他们大量采用热固性环氧复合材料，使循环经济(CETEC)在开发复合风力叶片的回收工艺上更具有意义。欧洲一家复合材料联盟（Decom Blades）专门为生产这类复合材料建立了一家回收机构，其成员包括关键行业参与者，涉及风能、风力系统、电力公司、回收和半导体行业。德国西门子可再生能源公司业涉入其中。丹麦能源集团(ECD)、南丹麦大学(SDU)和丹麦理工大学(DTU)纷纷参与了这类创新的风电材料研发计划。

八仙过海似的回收创新

其实，风能复合材料的开发旨在拥有更高的强度，使用年限更久远，这类研发被归纳为三种创新方法和三种方向。第一种是粉碎旧的风力涡轮机叶片，使回收材料可在不同的产品和工艺中重复使用；第二种是在水泥生产中按比例掺入碎片材料；第三种使用热解工艺，这是一种使用高温分离复合材料的方法。维斯塔思公司、全球化学奥林环氧树脂公司（Global Chemical Company Olin Epoxy)和丹麦合作大学都创建了热固性环氧树脂复合材料循环经济(CETEC)项目，这是作为提高回收目标的一步。

其中一种方法包括将复合材料分解成纤维和环氧树脂。然后使用“化学循环”过程进一步分解，生产可用于制造新风力涡轮机叶片的材料。环氧基材料的化学循环使高度稳定的聚合物链能够转化为分子构建块。这种把旧材料加工为新的环氧树脂材料的做法值得提倡，因为它并不会失去应有的质量。

此外，英国苏格兰斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）与英国艾可儿（Aker）海上风能企业和下属投资公司签署一份谅解备忘录(MOU)，以开发回收风力涡轮机叶片的设施。该大学的再生复合强化型(ReCoveR)技术使玻璃增强塑料(GRP)能够回收到“接近原始质量”的玻璃纤维，可以在复合材料中重复利用，而材料强度却能比原来使用的材料提高80%。该项技术包括从玻璃钢复合废物中回收玻璃纤维的热处理工艺，他们确信，这一工艺可有效地处理受污染的材料和其他废物。该大学高级复合材料集团负责人表示：“随着走向更循环的经济，人类保持和重新部署纤维中的实体能量至关重要。”该大学另一有价值的研发是使其研发成本仅为原始玻璃纤维生产的80%。有公司称，一旦风机叶片得到回收利用，那么诸如飞机的整个机身都属于类似材料，也能获得回收利用。因此，上述公司加速回收碳纤维技术的开发，为越来越多的再生碳纤维提供高性能出口，业内认为这为复合材料和轻质材料行业创造着新的经济机会。

产品标新立异的创新

2021年年初，美国一家公司受委托研发出一条商业生产线，每年生产80万平方米的轴碳纤维材料，并计划在未来两年将其产能提高3倍。在美国马萨诸塞州比勒里卡市，有一家3.7万平方英尺的制造工厂正全自动地生产着高质量的控制和可追溯设备。旨在生产更能替代重金属的产品，减少对原始材料的依赖，提高环境价值。

德国迪洛机械有限公司（Dilo Machines GmbH）的无纺生产线也开始采用可回收的纤维材料。无纺和现代化的试验工厂被设计得具有生产导电碳纤维的能力。天然纤维复合材料(NFC)公司近期研发的生物基替代品，即大型复合材料玻璃纤维和碳纤维材料应用于风力涡轮机，也受到进一步的关注。丹麦称为绿色船（Greenboats）的可持续复合材料公司开发出基于生物并应用于玻璃纤维和碳纤维的材料，而瑞士复合材料公司（Bcomp）和法国复合材料制造商（Sicomin）也相继开发出新型的风力涡轮机发电机组件的盖子，其相关材料也采用了（bTex）亚麻强化型纤维，其中还掺入了经FSC认证的木芯和生物基810绿色环氧树脂。事实上，亚麻纤维比原始玻璃纤维对环境的影响更小，而技术的可扩展性更大，并有可行的寿命期。据估计，与现有的强化玻璃纤维塑料（GFRP）制造技术相比，NFC材料结构节省了约60%的二氧化碳排放，即将能耗降低50%以上。

综上所述，过去的传统纺织与无纺业所采用的材料正在成为新兴行业中更有价值的材料。鉴于全球业界都对可回收复合材料部件的新工艺的兴趣和可用性，原来仅用于纺织业的工艺正在成为可持续性风能解决方案的重要组成部分。

（据美国《高级纺织资源》https://advancedtextilessource.com/2021/06/14/textiles-role-in-a-growing-energy-industry/近期资料）