Ajinkya Pal（左）、Sydney Reiber、Stephen Dempsey 和 Ciaran Lahive 是来自 NREL BOTTLE 研究小组的研究人员之一，该小组正在开发一种分解复合碳纤维的可靠方法，从而避免垃圾填埋。照片：Joe DelNero，NREL
根据 “使热塑性塑料远离垃圾填埋场和环境的生物优化技术”(BOTTLE)联盟的最新研究，用热醋酸解构环氧树脂有可能为回收一系列高价值消费品中使用的材料提供一种可扩展且经济实惠的解决方案。
碳纤维复合材料(CFC)是由环氧胺树脂包裹长碳纤维制成的高强度、低重量材料。CFC 使自行车、飞机和汽车更轻、更高效，也是用于压缩天然气运输和储存的压力容器的重要组成部分。然而，CFC 的生产成本高、能耗大，限制了其应用范围，而且几乎完全没有可扩展的、经济上可行的回收方法来处理这些重要材料。
氯氟化碳通常由环氧胺树脂制成，其化学性质类似于五金店中常见的环氧树脂。这些复合材料形成的塑料坚硬耐磨，而且不能溶解或熔化。虽然树脂相对便宜，但其周围的纤维却不便宜，因此制成的复合材料相当昂贵--许多氯氟化碳的价格每磅可超过 50 美元。
“美国国家可再生能源实验室博士后研究员、该研究的第一作者之一斯蒂芬-登普西说：”打个合理的比方，想象一下蛋糕。"一旦鸡蛋、面粉和糖进入面糊，蛋糕烤好后，基本上就不可能再把它们拿出来了。这里的情况也类似：树脂是通过化学反应交错在一起的，粘结力相当强。我们必须想办法把纤维弄出来，但我们也必须小心谨慎，不能让树脂中的化学物质降解到必要的程度，否则就会浪费当初制造它们的所有时间、精力和原材料。
但即便如此，也要比烘焙复杂一些，因为这些树脂通常是由高度复杂的分子混合物制成的。其中一些化合物是常见的，在许多使用 CFC 的行业中都有，但另一些则不然。此外，目前很难在回收之前准确确定树脂的化学成分。因此，氟氯化碳的再循环方法必须非常稳健，能够处理各种树脂配方。
BOTTLE 团队的解决方案出乎意料地简单。热醋酸（醋中的同一种化合物）可以裂解这些树脂中的所有关键。前 NREL 博士后研究员 Ciaran Lahive（现就职于曼彻斯特大学）是本研究的共同第一作者，他在另一个项目的密集反应筛选工作中演示了这种反应。
研究小组发现了一些令人瞩目的现象： 树脂中的聚合物网络不仅能迅速溶解，而且醋酸还能稳定其化学成分，从而获得高产率的可重复使用的化学构件。NREL 实习生 Katie Stevenson（现就职于哥伦比亚大学）和 Sydney Reiber（现就职于格拉茨大学）进行了大量的优化工作，最终开发出了一种可有效处理各行各业报废废料的工艺。
重要的是，研究人员还确定，再生碳纤维（rCF）的强度没有受到影响，这对于确保它们从复合材料中提取后仍能保持其价值至关重要。为了证明这一点，他们取了 80 克由复合材料制成的报废山地自行车车架并将其分解。利用刚刚提取的碳纤维，他们制造出了新的复合材料，其强度重量比是钢的两倍多。
据预测，与原始纤维相比，rCF 的成本不仅很低，每公斤仅需 1.50 美元，而且如果将回收的环氧树脂构件计算在内，能耗几乎为零。这种工艺并不仅限于氟氯化碳--涡轮叶片、船体或汽车保险杠和引擎盖中的玻璃纤维复合材料也可以进行处理。
“这项研究的资深作者、美国国家能源研究所高级研究员、BOTTLE 公司首席执行官格雷格-贝克汉姆说：”从长远来看，这项技术可用于从目前堆积在垃圾填埋场的具有挑战性的复合材料废物流中创造价值。“目前的技术还无法对这种废物流产生影响，但我们认为这种工艺也可以用于这种应用”。
这一发现有望推动美国复合材料制造业的发展。
“Dempsey说：”如果我们能扩大这一工艺的规模，并将其应用于现实世界，我们认为汽车或火车的整个面板都能用碳纤维增强复合材料代替钢或铝。
这篇题为 “用于碳纤维增强聚合物回收的环氧胺树脂的乙酰分解 ”的论文发表在《自然》杂志上。来自 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。
这项工作由美国能源部先进材料与制造技术办公室和生物能源技术办公室资助，是BOTTLE联盟的一部分。此外，特拉华大学复合材料中心还根据 BOTTLE 资助机会公告提供了额外资金。