然而，碳纤维仍需得到进一步的完善，以为大众汽车市场的应用提供必要的经济性。美国国家可再生能源实验室（NREL）的科学家Nicholas Rorrer解释说：“碳纤维很贵，制造它需要消耗大量的能源，所以从这个角度来讲，它并不利于控制温室气体（GHG）排放。但如果使碳纤维变得更易于回收，将有助于改善这一状况。”

 

凭借在生物基材料设计方面的最新进展，以工业化的规模回收碳纤维可能已经近在咫尺。

 

     在由美国能源部车辆技术办公室支持的Composites Core Program项目下，Rorrer与NREL的其他研究人员已经揭示了采用生物基环氧树脂和一种酸酐固化剂制造的碳纤维复合材料，通过引入更容易降解的交联剂，使材料完全可回收。事实上，这种名为甲醇分解的回收过程可以在室温下有选择性地触发，而不降低纤维的质量或改变其取向。这意味着向循环经济迈出了坚实的一步，可以使碳纤维在多样化的应用中变得更便宜、更环保。

 

近距离了解碳纤维

    强大、轻质且不可回收——今天的碳纤维复合材料是通过将编织的碳纤维长丝浸入到胶状的环氧树脂中制成的，由此而产生的材料可以提高汽车的性能但不能有效回收

 

    既强壮又轻质，碳纤维复合材料的优势来自于其分层设计，它是由纯的碳纤维长丝与热固性的胶状环氧树脂组合而成的一种复合材料。固化时，液体树脂中的分子相互结合在一起并围绕着编织的碳纤维长丝，从而硬化成强而坚固的网格状物。

 

    在模具中成型时，这种材料可以形成多种应用的多种形状，从汽车保险杠到风机叶片等。

 

    然而，固化后环氧树脂的热固性特征，使得这些优质产品难以分解，尤其是不会严重损坏碳纤维长丝。因此，尽管价格昂贵，但碳纤维制品在使用寿命结束后往往被送入垃圾填埋场。

 

    虽然碳纤维可以将传统乘用车的重量减半，从而将燃油效率提升35%，但其任何提高效率的优势都被制造它所消耗的能源以及大量的温室气体排放抵消掉了。合成碳纤维需要的温度超过1000℃。

 

    这一现实让Rorrer想到：“有没有一种方法可以多次重复使用碳纤维，通过回收这些纤维来获得更多的价值和环境效益呢？”

 

通过设计使环氧树脂可回收

 

    Rorrer及其同事们开始研究生物质的化学性质，以了解是否可以利用这些化学性质来设计一种可以得到回收的新的环氧树脂。与石油中的碳氢化合物相比，生物质中含有更多的氧气和氮气, 它们提供了不同的化学可能性。

 

    “我们以生物质为原料合成环氧和酸酐，基本上重新设计了环氧胺树脂。”Rorrer解释说，“我们已经证明，重新配制的树脂可以保持或超越今天的环氧胺树脂的所有性能，同时还可以通过设计使它们在室温下具有可回收性。”

 

    采用一种特殊的催化剂，NREL团队能够在室温下分解这种生物基树脂，这是一个被称为解聚的过程，使他们能够回收碳纤维长丝并保持纤维的质量和取向。

 

    “我们至少可以在3次复合材料的生命周期中保持纤维的质量。”Rorrer 说道，“所以我们不仅可以回收它，还可以循环利用它而不会损害它的性能。”

 

    结合NREL对生物基丙烯腈作为碳纤维原料的研究，这项在环氧树脂上的突破可以大大提高碳纤维复合材料的成本效益和环境友好性。

 

    对碳纤维的提取和回收，使得这种材料对于大众化的电动汽车市场而言更加经济适用，能够抵消电池带来的额外重量，还能够将这种材料引发的碳排放降低20%～40%。更重要的是，可以在不增加制造成本的情况下实现这一切。按照Rorrer的估算，NREL的环氧树脂的生产成本与今天的石油基环氧胺树脂的大致相当。

 

    “通过用生物原料取代石油原料，我们不必消耗额外的能量来重组它们的化学成分。”Rorrer 补充道，“这使我们能够以更低的成本更精确、更有效地设计具有性能和环保优势的先进材料。”