科学通报 | 化学溶胀耦合低温催化热解实现退役风电叶片全组分高值回收|化学|新材料|溶胀|热解|解聚

风力发电作为重要的可再生能源技术，正在为能源绿色低碳转型提供持续支撑。然而，随着大批风电组件逐步进入服役末期，退役叶片带来的资源化处置问题日益凸显。

风电叶片主要由玻璃纤维/碳纤维增强环氧树脂热固性复合材料构成，其三维交联网络及强界面键合导致传统回收技术面临“难解构、难分离、难利用”的瓶颈。高温热解虽能分解树脂，却易损伤纤维力学性能，且焦油产率高、经济性差。

近日，来自浙江工业大学的胡艳军教授团队在《科学通报》发表了题为“退役风电叶片化学溶胀耦合低温催化热解全组分提质回收机制”的研究论文。该研究创新性地提出“溶胀预处理-低温热解解聚-异位催化提质”协同技术路线，实现了树脂高效解构、高值化学品富集与纤维高品质回收的一体化，为退役风电叶片的绿色、高质与规模化再利用提供了可行的技术路径。

研究背景

风电叶片多采用环氧树脂基体与玻璃纤维/碳纤维增强体的多层复合结构，纤维体积分数可达60%~80%。热固性树脂固化后形成以C−O−C、C−N键为主的三维交联网络，并与经硅烷偶联剂处理的纤维表面构筑强界面键合，使整体结构呈现高强度、高耐疲劳但“难切割、难分离、难解构”的典型物性特征。传统高温热化学转化工艺（通常需400℃以上）能耗高、焦油生成量大，同时导致回收纤维表面残留碳化物、力学性能显著劣化，限制其工程再利用潜力。如何实现树脂温和解聚与纤维低损伤回收的协同，是该领域亟待突破的核心科学问题。

研究思路

针对上述难题，研究团队构建了一条“溶胀预处理-低温热解解聚-异位催化提质”的全组分协同回收技术路线。其核心思路并不是直接把复合材料“高温处置”，而是先通过化学溶胀使致密树脂网络发生松弛和层间剥离，改善材料内部的传热传质条件；随后在较低热解温度下促进树脂高效解聚；最后利用结构化H-ZSM-5催化剂对挥发性中间体进行定向调控，抑制焦油生成并提升高值酚类单体富集程度（图1）。

图1大尺寸热固性复合材料低温溶胀热解聚耦合定向催化制BPA联产纤维路径

主要研究发现

研究结果表明，丙酸溶胀预处理可有效削弱环氧树脂的交联约束，使复合材料内部由致密结构转变为具有贯通孔隙与分层特征的松散体。与非溶胀样品相比，溶胀后树脂脱除率从约82%提升至94%以上，效率提高10%~12%。同时，重质焦油生成量显著下降，玻璃纤维增强复合材料（GFRP）的重质焦油产率由9.20 wt%降至1.87 wt%，降幅达79.7%。

在液相产物高值化方面，溶胀预处理促进了环氧树脂骨架片段以较完整结构形式释放进入液相，使热解油中高价值酚类单体双酚A（BPA）含量由3.9%提升至12.6%。进一步引入异位H-ZSM-5催化体系后，重质焦油生成量最高降幅超过93%，同时BPA相对含量进一步提升至18.9%，增幅超过四倍。研究证实，丙酸通过质子催化选择性断裂醚键（C−O−C），而非无差别的热破碎，是BPA富集的关键机制（图2）。

图2溶胀-热解工艺树脂基体转化路径。(a)脱水缩合反应——酯键生成; (b)丙酸质子催化断裂环氧树脂醚键

回收纤维性能评估显示，经90℃溶胀预处理及400℃热解回收的玻璃纤维，其单纤维拉伸强度达2772 MPa，较未溶胀样品（2054 MPa）提升35%。SEM图像表明，溶胀温度越高，纤维表面残留碳化物越少，断面从平直脆性断裂转变为粗糙、多微裂纹的韧性特征，反映应力分布更加均匀。FTIR光谱进一步确认，丙酸处理未引入外源性杂质，且醚键特征峰减弱、C−H伸缩振动增强，表明溶胀有效抑制了树脂深度炭化（图3）。

图3不同溶胀温度下玻纤复材及回收玻璃纤维的形貌与结构表征。(a)化学溶胀处理后玻纤复材的宏观形貌; (b)回收玻璃纤维SEM表面形貌图; (c)热解回收玻璃纤维的FTIR图

循环稳定性实验表明，丙酸溶胀剂在5次循环使用后仍保持93%以上的树脂降解率，结构化催化剂在连续运行中展现出良好的重复使用潜力，轻质油产率稳定在19%~21%区间（图4）。

图4溶胀-热解-催化”工艺的适用性与稳定性评估。(a)丙酸溶液循环利用; (b)丙酸循环利用效果-树脂降解率(示意图);结构催化剂重复利用实验(热解条件: 400℃, 30 min):轻质油产率(c)和催化剂质量(d)

研究意义与展望

本研究系统揭示了化学溶胀耦合低温催化热解实现退役风电叶片全组分提质回收机制，为热固性复合材料的绿色低碳处置提供了新思路。该工艺在低能耗、高选择性与稳定运行方面具备良好的工程适应性，可实现长纤维高品质回收与液相产物高值化利用。值得注意的是，溶胀—催化过程富集的BPA可作为树脂再生原料，回收的玻纤/碳纤可作为增强相，有望构建“回收—再制造”闭环循环体系。

此外，本研究提出的“溶胀预处理—低温热解解聚—异位催化提质”工艺兼顾经济性与环保性，在多周期运行中保持良好稳定性，为退役风电叶片的高值化绿色处置提供了切实可行的技术路径。未来可进一步围绕溶胀剂体系优化、催化剂抗失活设计及连续化工艺开发开展研究，推动该技术向产业化示范迈进。