風(fēng)電領(lǐng)域：規(guī)模化生產(chǎn)適用于超大葉片的循環(huán)樹脂

真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)等灌注工藝是風(fēng)力渦輪機葉片制造中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，其具備規(guī)模化生產(chǎn)優(yōu)勢，成本可控，能制造出孔隙率低、結(jié)構(gòu)完整性好的大型部件。該工藝對樹脂提出了嚴(yán)格要求：低粘度與長適用期以確保纖維完全浸潤；可控固化過程以最大限度減少收縮和內(nèi)應(yīng)力；在數(shù)百萬次載荷循環(huán)下保持長期耐久性；同時需具備高抗疲勞性、機械強度、斷裂韌性和強纖維粘合性，以及抗紫外線、防潮和耐海洋環(huán)境侵蝕的穩(wěn)定性。

環(huán)氧樹脂傳統(tǒng)上能夠滿足這些要求，兼具工藝適應(yīng)性和機械性能優(yōu)勢。其低粘度便于纖維浸潤、固化行為可控且環(huán)境穩(wěn)定性強，使其成為大型高性能葉片的首選樹脂。然而，環(huán)氧樹脂的生產(chǎn)和處置過程引發(fā)了環(huán)境與生命周期末端處理方面的擔(dān)憂。盡管市場對可回收體系的需求持續(xù)增長，但如何在不損失性能的前提下將其整合到灌注工藝中，仍是行業(yè)面臨的核心挑戰(zhàn)。

CIDETEC 的 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物通過在保持高性能的同時減少廢棄物、支持循環(huán)經(jīng)濟，顯著提升了熱固性復(fù)合材料的可持續(xù)性，尤其適用于風(fēng)電等行業(yè)。

 

在此背景下，CIDETEC 的 3R 技術(shù)已應(yīng)用于歐洲 CARBO4POWER 項目(資助協(xié)議號：953192)，該項目旨在開發(fā)新一代輕量化、高強度、多功能、數(shù)字化的多材料，用于海上轉(zhuǎn)子葉片（風(fēng)力渦輪機葉片 WTB 和潮汐渦輪機葉片 TTB）。項目團隊專門研發(fā)了一款 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物配方，以滿足制造商對大型驗證原型件灌注工藝的關(guān)鍵要求，核心挑戰(zhàn)包括在灌注溫度下實現(xiàn)低粘度，以及確保足夠長的適用期以完成灌注過程。該 3R 配方的性能與現(xiàn)有樹脂體系相當(dāng)，同時新增了可回收性和可修復(fù)性優(yōu)勢。

此外，通過調(diào)整粘度、固化周期和其他參數(shù)，3R 配方已適配長效預(yù)浸料的生產(chǎn)。隨后，西班牙 Aimen 技術(shù)中心將這些預(yù)浸料切割成帶材，采用自動纖維鋪放(AFP)工藝制造風(fēng)力渦輪機葉片的主梁帽。

 

圖 1. 由 IRT Jules Verne 研究所制造的 3R 潮汐渦輪機葉片（TTB）與由 Aimen 技術(shù)中心制造的風(fēng)力渦輪機葉片（WTB）

這些技術(shù)突破促成了兩款原型件的成功生產(chǎn)：

由法國 IRT Jules Verne 研究所采用 3R 樹脂和碳纖維（CF）增強材料，通過灌注工藝制造的 4 米長潮汐渦輪機葉片（TTB），重量 450 千克（圖 1 ）；

由 Aimen 技術(shù)中心采用 3R 樹脂和玻璃纖維（GF）增強材料，通過灌注工藝制造的 5.2 米長風(fēng)力渦輪機葉片（WTB），重量 49 千克，其主梁帽采用 3R 長效預(yù)浸料帶材通過 AFP 工藝制成（圖 1 ）。

如果說風(fēng)電行業(yè)要求樹脂實現(xiàn)規(guī)模化高性能應(yīng)用，那么汽車行業(yè)則將焦點轉(zhuǎn)向成本、速度及與大規(guī)模生產(chǎn)線的兼容性。

汽車領(lǐng)域：平衡大規(guī)模生產(chǎn)中的成本、速度與可回收性

2023 年全球汽車復(fù)合材料市場規(guī)模達 98 億美元，預(yù)計到 2033 年將增長至 147 億美元，年復(fù)合增長率（CAGR）為 4.2%。市場增長的驅(qū)動力包括：更嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)、可持續(xù)發(fā)展需求、對高機械強度與輕量化車身相結(jié)合以提高燃油效率和減少排放的需求。然而，復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用仍受到限制：需在成本和制造效率上與鋼材、鋁材競爭；需作為 “即插即用” 解決方案整合到現(xiàn)有大規(guī)模生產(chǎn)線中；并需為可回收性和生命周期末端（EoL）管理提供明確方案。

CIDETEC 的 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物直接應(yīng)對了這些障礙，滿足了該行業(yè)最關(guān)鍵的要求（表 1）。

表1:汽車行業(yè)復(fù)合材料面臨的挑戰(zhàn)及 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物的對應(yīng)解決方案

過去十年間，CIDETEC 通過多項研究計劃顯著推進了 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物技術(shù)。在 ACEFICORE 項目中，CIDETEC 開發(fā)了一種高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、快速固化能力且可回收性優(yōu)異的動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物樹脂，專門針對壓縮樹脂傳遞模塑(C-RTM)工藝設(shè)計，助力生產(chǎn)更可持續(xù)、高效且智能互聯(lián)的城市車輛。

CIDETEC 還與現(xiàn)代汽車集團(Hyundai Motor Company)和起亞汽車(KIA)達成戰(zhàn)略合作，為下一代自動駕駛電動汽車開發(fā)可回收熱固性輕量化復(fù)合材料。該合作聚焦于大幅降低生命周期影響的材料解決方案，同時支持向輕量化、更可持續(xù)和智能互聯(lián)出行的轉(zhuǎn)型。

與此同時，CIDETEC 目前正致力于將電子元件整合到基于 3R 環(huán)氧樹脂的可持續(xù)復(fù)合材料中，融入面向下一代電動和自動駕駛汽車的先進功能與特性。

如果說汽車行業(yè)凸顯了復(fù)合材料大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn)，那么儲氫領(lǐng)域則帶來了全新的考驗：極端壓力與安全要求。

氫能領(lǐng)域：面向氫能未來的可回收高壓儲氫罐

氫能憑借其高重量能量密度和使用過程中零碳排放的優(yōu)勢，成為實現(xiàn)脫碳未來的理想能源載體。然而，其極低的體積能量密度帶來了顯著的儲存挑戰(zhàn)。通過纖維纏繞工藝生產(chǎn)的 IV 型高壓儲氫容器提供了切實可行的解決方案：熱塑性內(nèi)襯防止泄漏，碳纖維增強復(fù)合材料外殼提供高比強度，滿足燃料電池汽車、航空航天或固定式能源系統(tǒng)中輕量化高壓儲氫的關(guān)鍵需求。該設(shè)計有效平衡了安全性、效率和機動性要求。然而，傳統(tǒng)熱固性基體的高成本、資源消耗和低可回收性，使得這些容器的生產(chǎn)和處置引發(fā)了廣泛關(guān)注。

近年來，CIDETEC 積極參與了多個區(qū)域項目（如由巴斯克政府資助的 ECOH2MOV 和 HIMUGI 項目）和歐洲計劃（包括 CUBIC 項目，資助協(xié)議號：101111996），重點開發(fā)適配纖維纏繞技術(shù)的定制化 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物配方。這些樹脂具備 130℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、0.6-0.8 Pa?s 的粘度和超過 7 小時的適用期，滿足 IV 型儲氫罐嚴(yán)苛的加工和性能要求。驗證原型件已證明其能夠承受高達 800 巴的壓力，同時保持輕量化和可回收性。這些項目的核心亮點在于 IV 型儲氫罐的化學(xué)回收：動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物基體可被選擇性溶解，且不影響碳纖維 —— 回收后的碳纖維保留其長度和性能，可重新用于復(fù)合材料應(yīng)用。

圖 2. 儲氫罐回收后獲得的再生碳纖維

該方法降低了儲氫系統(tǒng)的環(huán)境影響，符合行業(yè)和法規(guī)向循環(huán)經(jīng)濟模式轉(zhuǎn)型的趨勢。

航空航天領(lǐng)域：適用于高要求結(jié)構(gòu)的高 Tg 樹脂

傳統(tǒng)高 Tg 熱固性樹脂仍是該領(lǐng)域的基準(zhǔn)材料，具備卓越的機械性能、低固化收縮率和強耐溫耐濕性。然而，其應(yīng)用也面臨挑戰(zhàn)：生產(chǎn)效率相對較低；維護和修復(fù)操作成本高昂且耗時；與金屬相比，生命周期末端部件的回收途徑仍有限。

CIDETEC 的環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物可配制出 Tg 高達 170℃（通過動態(tài)力學(xué)分析 DMA 測量的 Tg 起始溫度）的配方，性能幾乎與結(jié)構(gòu)復(fù)合材料中使用的傳統(tǒng)航空級環(huán)氧樹脂相當(dāng)，同時支持更快的制造速度、更簡便的修復(fù)流程以及廢料或生命周期末端部件的回收。如前所述，其應(yīng)用還擴展至長效預(yù)浸料，避免了冷鏈物流的限制以及冷凍儲存相關(guān)的能源成本。

在歐盟地平線 2020 計劃 AIRPOXY 項目(2018-2022，資助協(xié)議號：769274)中，CIDETEC 研發(fā)了適用于飛機主承力結(jié)構(gòu)的 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物，并驗證了其在 RTM、SQRTM（自增壓樹脂傳遞模塑）和長效預(yù)浸料壓縮成型等非熱壓罐工藝中的應(yīng)用，同時探索了快速簡便的修復(fù)方法。

 

 

圖 3. （上圖）風(fēng)扇罩驗證原型件 —— 蒙皮與橫向加強筋采用 RTM 工藝制造，縱向加強筋采用熱成型工藝制造；（下圖）前緣驗證原型件 —— 兩塊腹板采用熱成型工藝制造，蒙皮采用 SQRTM 工藝制造

AIRPOXY 項目為后續(xù)的歐盟地平線歐洲計劃奠定了基礎(chǔ)：

GENEX 項目(資助協(xié)議號：101056822)進一步優(yōu)化動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物配方，并在數(shù)字孿生框架下研究自動纖維鋪放（AFP）工藝；

TOSCA 項目(資助協(xié)議號：101191394)和 TORPROPEL 項目（資助協(xié)議號：101187800）將范圍擴展至更具動態(tài)特性的配方，并新增碳纖維和環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物基體回收的化學(xué)回收途徑；

這些項目均持續(xù)推進修復(fù)方法的研究，其中 TOSCA 項目聚焦 AFP 工藝，TORPROPEL 項目首次引入快速纖維束剪切（RTS）技術(shù)。

自 2022 年起，CIDETEC 與空客運營公司(Airbus Operations S.L)合作，將 AIRPOXY 動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物配方適配空客特定工藝。該合作聚焦于開發(fā)用于模壓成型的航空級長效預(yù)浸料，并建立化學(xué)回收途徑，實現(xiàn)碳纖維和動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物基體的二次利用。

軌道交通領(lǐng)域也不例外。復(fù)合材料必須符合 EN45545 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)中防火、防煙和防毒（FST）標(biāo)準(zhǔn)與機械性能同等重要。如今，復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于內(nèi)飾和次要結(jié)構(gòu)，但真正的挑戰(zhàn)是將其應(yīng)用于主承力部件，以實現(xiàn)減重和節(jié)能。這一轉(zhuǎn)變要求樹脂體系不僅要滿足嚴(yán)格的機械和 FST 標(biāo)準(zhǔn)，還需采用無鹵阻燃劑。當(dāng)前趨勢明確傾向于用更安全的無鹵替代品（如氫氧化鋁 ATH、聚磷酸銨 APP 或有機磷化合物）替代溴系添加劑。

軌道交通領(lǐng)域：滿足 EN45545 防火標(biāo)準(zhǔn)的可回收復(fù)合材料

近期進展表明，熱固性復(fù)合材料已能滿足 EN45545 標(biāo)準(zhǔn)，但生命周期末端的可回收性仍是主要缺口，大多數(shù)材料最終仍被填埋或焚燒。為解決這一問題，歐盟地平線歐洲計劃 SURPASS 項目（資助協(xié)議號：101057901）開發(fā)了兼具 FST 性能和機械性能要求的 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物，同時融入無害阻燃劑。項目目標(biāo)是提供本質(zhì)可回收、對用戶和環(huán)境更安全的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。

圖 4. 采用可回收 3R 復(fù)合材料制備的目標(biāo)驗證原型件，設(shè)計符合軌道交通行業(yè)的機械性能及防火安全標(biāo)準(zhǔn)

在生命周期末端，最終產(chǎn)品和生產(chǎn)廢料均可通過兩種主要途徑回收：

• 簡單粉碎后熱成型，制造再生部件；
• 回收 3R 環(huán)氧動態(tài)共價網(wǎng)絡(luò)聚合物、纖維增強材料和阻燃劑，用于其他應(yīng)用場景。