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根據 “使熱塑性塑料遠離垃圾填埋場和環(huán)境的生物優(yōu)化技術”(BOTTLE)聯(lián)盟的最新研究，用熱醋酸解構環(huán)氧樹脂有可能為回收一系列高價值消費品中使用的材料提供一種可擴展且經濟實惠的解決方案。

碳纖維復合材料(CFC)是由環(huán)氧胺樹脂包裹長碳纖維制成的高強度、低重量材料。CFC 使自行車、飛機和汽車更輕、更高效，也是用于壓縮天然氣運輸和儲存的壓力容器的重要組成部分。然而，CFC 的生產成本高、能耗大，限制了其應用范圍，而且?guī)缀跬耆珱]有可擴展的、經濟上可行的回收方法來處理這些重要材料。

氯氟化碳通常由環(huán)氧胺樹脂制成，其化學性質類似于五金店中常見的環(huán)氧樹脂。這些復合材料形成的塑料堅硬耐磨，而且不能溶解或熔化。雖然樹脂相對便宜，但其周圍的纖維卻不便宜，因此制成的復合材料相當昂貴--許多氯氟化碳的價格每磅可超過 50 美元。

“美國國家可再生能源實驗室博士后研究員、該研究的第一作者之一斯蒂芬-登普西說：”打個合理的比方，想象一下蛋糕。"一旦雞蛋、面粉和糖進入面糊，蛋糕烤好后，基本上就不可能再把它們拿出來了。這里的情況也類似：樹脂是通過化學反應交錯在一起的，粘結力相當強。我們必須想辦法把纖維弄出來，但我們也必須小心謹慎，不能讓樹脂中的化學物質降解到必要的程度，否則就會浪費當初制造它們的所有時間、精力和原材料。

但即便如此，也要比烘焙復雜一些，因為這些樹脂通常是由高度復雜的分子混合物制成的。其中一些化合物是常見的，在許多使用 CFC 的行業(yè)中都有，但另一些則不然。此外，目前很難在回收之前準確確定樹脂的化學成分。因此，氟氯化碳的再循環(huán)方法必須非常穩(wěn)健，能夠處理各種樹脂配方。

BOTTLE 團隊的解決方案出乎意料地簡單。熱醋酸（醋中的同一種化合物）可以裂解這些樹脂中的所有關鍵。前 NREL 博士后研究員 Ciaran Lahive（現(xiàn)就職于曼徹斯特大學）是本研究的共同第一作者，他在另一個項目的密集反應篩選工作中演示了這種反應。

研究小組發(fā)現(xiàn)了一些令人矚目的現(xiàn)象： 樹脂中的聚合物網絡不僅能迅速溶解，而且醋酸還能穩(wěn)定其化學成分，從而獲得高產率的可重復使用的化學構件。NREL 實習生 Katie Stevenson（現(xiàn)就職于哥倫比亞大學）和 Sydney Reiber（現(xiàn)就職于格拉茨大學）進行了大量的優(yōu)化工作，最終開發(fā)出了一種可有效處理各行各業(yè)報廢廢料的工藝。

重要的是，研究人員還確定，再生碳纖維（rCF）的強度沒有受到影響，這對于確保它們從復合材料中提取后仍能保持其價值至關重要。為了證明這一點，他們取了 80 克由復合材料制成的報廢山地自行車車架并將其分解。利用剛剛提取的碳纖維，他們制造出了新的復合材料，其強度重量比是鋼的兩倍多。

據預測，與原始纖維相比，rCF 的成本不僅很低，每公斤僅需 1.50 美元，而且如果將回收的環(huán)氧樹脂構件計算在內，能耗幾乎為零。這種工藝并不僅限于氟氯化碳--渦輪葉片、船體或汽車保險杠和引擎蓋中的玻璃纖維復合材料也可以進行處理。

“這項研究的資深作者、美國國家能源研究所高級研究員、BOTTLE 公司首席執(zhí)行官格雷格-貝克漢姆說：”從長遠來看，這項技術可用于從目前堆積在垃圾填埋場的具有挑戰(zhàn)性的復合材料廢物流中創(chuàng)造價值。“目前的技術還無法對這種廢物流產生影響，但我們認為這種工藝也可以用于這種應用”。

這一發(fā)現(xiàn)有望推動美國復合材料制造業(yè)的發(fā)展。

“Dempsey說：”如果我們能擴大這一工藝的規(guī)模，并將其應用于現(xiàn)實世界，我們認為汽車或火車的整個面板都能用碳纖維增強復合材料代替鋼或鋁。

這篇題為 “用于碳纖維增強聚合物回收的環(huán)氧胺樹脂的乙酰分解 ”的論文發(fā)表在《自然》雜志上。來自 NREL 的其他共同作者包括 William Michener、Hannah Alt、Kelsey Ramirez、Erik Rognerud、Clarissa Lincoln、Ryan Clarke、Nicholas Rorrer 和 Katrina Knauer。

這項工作由美國能源部先進材料與制造技術辦公室和生物能源技術辦公室資助，是BOTTLE聯(lián)盟的一部分。此外，特拉華大學復合材料中心還根據 BOTTLE 資助機會公告提供了額外資金。