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從碳纖維和基體中回收高價值
碳纖維是由碳原子制成的細(xì)纖維；它們非常輕，但具有非常高的抗拉強度和剛度，非常適合制造。聚合物基體是一種類似塑料的剛性材料（如環(huán)氧樹脂、聚酯或乙烯基樹脂），用作粘合劑;聚合物將碳纖維固定在一起，并賦予復(fù)合材料其形狀。
CFRP，即碳纖維增強聚合物，是一種結(jié)合了碳纖維和聚合物成分的復(fù)合材料。“該研究展示了從 CFRP 材料的碳纖維和聚合物基體中回收高價值的第一種成功方法，”Williams 說。
“如果你環(huán)顧世界，你會發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料無處不在，”威廉姆斯說。“它們在我的自行車、我的車和我鄰居的假肢里。”復(fù)合材料是大規(guī)模制造中使用最普遍的材料之一。汽車和飛機的結(jié)構(gòu)板以及許多其他部件越來越多地使用 CFRP 制造。
“CFRP 的挑戰(zhàn)在于你不能熔化或重新粘合它們，這使得它們在使用壽命結(jié)束時難以分離和回收，”Williams 說。事實上，唯一可用的回收方法是燃燒掉聚合物基體，適用于大約 1% 的復(fù)合廢料。
南加州大學(xué) Viterbi 分校的化學(xué)工程教授 Nutt 對這種策略持不同意見，他說：“基質(zhì)是一種我們不想犧牲的工程材料。
保持纖維原始強度的 97% 以上
該研究中展示的化學(xué)是一種新方法，表明復(fù)合材料可以以保持材料完整性的方式進行回收和再循環(huán)。該項目是 Williams 與南加州大學(xué) Viterbi 工程學(xué)院 M.C. Gill 復(fù)合材料中心的 Steven Nutt、南加州大學(xué) Alfred E. Mann 藥學(xué)與制藥科學(xué)學(xué)院的 Clay C.C. Wang 教授以及堪薩斯大學(xué)的 Berl Oakley 合作完成的。
“我不確定是否有可能完全回收復(fù)合材料，”南加州大學(xué) Dornsife 文理學(xué)院化學(xué)教授 Travis Williams 說。“盡管這些材料對于制造節(jié)能汽車非常有用，但復(fù)合材料的問題在于我們沒有實用的回收途徑，因此這些材料最終會被填埋。”
預(yù)測表明，到 2030 年，6,000-8,000 架包含復(fù)合材料的商用飛機將達到使用壽命，到 2050 年，退役的風(fēng)力渦輪機將產(chǎn)生 483,000 噸復(fù)合材料廢物。Williams 說，他實驗室的升級回收方法為日益嚴(yán)重的廢物問題提供了一種可持續(xù)的解決方案，“我們的方法有可能在回收和化學(xué)制造中創(chuàng)造新的價值鏈，同時顯著減少復(fù)合材料對環(huán)境的影響。
升級回收方法節(jié)省了 CFRP 的碳纖維，碳纖維是材料堅固耐用的部分。這些纖維保持良好狀態(tài)，該團隊展示了如何在新的制造中重復(fù)使用它們，同時保持其原始強度的 97% 以上。這種方法是第一個成功地從 CFRP 的基體和碳纖維部件中獲得價值的方法，將廢物轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品，減少對環(huán)境的危害。
真菌溶液回收塑料
生物技術(shù)對于從廢棄的聚合物基質(zhì)中回收價值至關(guān)重要。研究人員還引入了一種名為 Aspergillus 構(gòu)巢曲霉的特殊類型的真菌，該真菌最初是在堪薩斯大學(xué)的 Berl Oakley 實驗室設(shè)計的。南加州大學(xué)團隊發(fā)現(xiàn)，在纖維回收反應(yīng)將聚合物切碎成苯甲酸后，這種真菌可以從復(fù)合基質(zhì)中重建材料，苯甲酸然后用作真菌的食物來源，使用這種真菌的工程菌株生產(chǎn)一種稱為 OTA（（2Z，4Z，6E）-octa-2,4,6-trienoic acid）的化學(xué)物質(zhì)。
“OTA 可用于制造具有潛在醫(yī)療應(yīng)用的產(chǎn)品，例如抗生素或抗炎藥，”南加州大學(xué)曼恩分校教授兼該學(xué)院藥理學(xué)和制藥科學(xué)系主任、聯(lián)合研究員 Wang 說。“這一發(fā)現(xiàn)很重要，因為它展示了一種新的、更有效的方法，可以將以前被認(rèn)為是廢料的東西轉(zhuǎn)化為有價值的東西，可以用于醫(yī)學(xué)。”
升級回收方法不僅展示了使用真菌對廢料進行生物催化升級的潛力，而且還突出了一種通過將纖維和基質(zhì)成分回收為高價值產(chǎn)品來回收復(fù)合材料的新方法。
“隨著對 CFRP 的需求持續(xù)增長，這一突破來得正是時候，”Williams 說。“據(jù)預(yù)測，未來幾十年 CFRP 廢物將顯著增加，這一概念為可持續(xù)材料管理提供了一個有前途的解決方案。”
關(guān)于這項研究：該研究的其他作者包括南加州大學(xué)的 Clarissa Olivar、Zehan Yu、Ben Miller 和 Maria Tangalos;以及堪薩斯大學(xué)的 Cory B. Jenkinson。
這項研究得到了美國國家海洋和大氣管理局根據(jù)海洋資助獎 （NA24OARX417C0413-T1-01） 的支持;美國國立衛(wèi)生研究院 （R21-AI156320）;美國國家科學(xué)基金會 （CMMI-2134658， 2227649）;USC（USC Dornsife College 教師工作組、Zumberge 基金和麥吉爾復(fù)合材料中心總裁可持續(xù)發(fā)展倡議）;南加州大學(xué)箭牌環(huán)境研究所（創(chuàng)新獎）;以及堪薩斯大學(xué)捐贈基金（Irving S. Johnson Fund）。