碳纤维研习社获悉，南加州大学的研究人员开发出一种新工艺，用于升级汽车面板和轻轨车辆中的复合材料，以应对当前交通和能源领域面临的环境挑战。这项研究最近发表在《Journal of the American Chemical Society》（注：《美国化学学会杂志》）上。
这项研究展示了一种化学反应，它是南加州大学多恩西夫文理学院化学教授 Travis Williams（特拉维斯·威廉姆斯）与南加州大学维特比工程学院 MC Gill 复合材料中心的 Steven Nutt 教授、南加州大学 Alfred E. Mann 药学院的 Clay CC Wang 教授以及堪萨斯大学的 Berl Oakley 教授合作完成的，它是一种新方法，表明复合材料可以以保持材料完整性的方式进行回收和再利用。
（图片来源：Journal of the American Chemical Society（2024）。DOI：10.1021/jacs.4c10838）
日常材料
碳纤维是由碳原子构成的细纤维；它们非常轻，但具有非常高的抗拉强度和刚度。聚合物基质是一种塑料状的刚性材料（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂），可充当粘合剂；聚合物将碳纤维粘合在一起并赋予复合材料形状。
碳纤维增强聚合物，是一种将碳纤维和聚合物成分结合在一起的复合材料。“这项研究首次展示了从 CFRP 材料的碳纤维和聚合物基质中回收高价值材料的成功方法，”威廉姆斯说。
“环顾四周，碳纤维复合材料无处不在，”复合材料是大规模制造中最常用的材料之一。汽车和飞机的结构板以及许多其他部件越来越多地使用碳纤维复材制造。
威廉姆斯说：“CFRP 的挑战在于你无法熔化或重新粘合它们，这使得它们在使用寿命结束时很难分离和回收。”事实上，唯一可用的回收方法是烧掉聚合物基质，适用于约 1% 的复合废物。
南加州大学维特比分校化学工程系教授纳特对这一策略表示反对，他表示：“基质是一种工程材料，我们不想牺牲它。”
可持续方法
数据显示，到 2030 年，将有 6000-8000 架含有复合材料的商用飞机报废，到 2050 年，退役的风机将产生 48 万吨复合材料废物。威廉姆斯表示，他实验室的升级再造方法为日益严重的废物问题提供了可持续的解决方案：“我们的方法有可能在回收和化学制造方面创造新的价值链，同时显著减少复合材料对环境的影响。”
这种升级再造方法可以节省CFRP 中的碳纤维，而碳纤维是该材料坚固耐用的部分。这些纤维保持良好状态，该团队展示了如何在新制造中重复使用它们，保持其原始强度的 97% 以上。这种方法首次成功地从 CFRP 的基质和碳纤维部分中获取价值，将废物转化为有用的产品并减少对环境的危害。
生物技术
生物技术对于从废弃的聚合物基质中回收价值至关重要。研究人员还引入了一种名为黑曲霉的特殊真菌，这种真菌最初是由堪萨斯大学的伯尔-奥克利（Berl Oakley）实验室培养出来的。南加州大学的研究小组发现，这种真菌可以在纤维回收反应将聚合物分解成苯甲酸后，从复合材料基体中重建材料，然后将苯甲酸作为真菌的食物来源，利用这种真菌的工程菌株生产出一种名为 OTA（(2Z,4Z,6E)-octa-2,4,6-trienoic acid）的化学物质。
“OTA 可用于制造具有潜在医疗用途的产品，如抗生素或消炎药，”联合研究员、南加州大学曼恩分校教授兼药理学和制药科学系主任王先生说。“这一发现很重要，因为它展示了一种新的、更有效的方法，可以将以前被认为是废料的东西转化为可用于医学的有价值的东西。”
该升级再造方法不仅展示了利用真菌对废料进行生物催化升级的潜力，而且还强调了通过将纤维和基质成分回收为高价值产品来回收复合材料的新方法。
“这一突破来得正是时候，因为对 CFRP 的需求不断增长，”威廉姆斯说。“预计未来几十年 CFRP 废料将大幅增加，这一概念为可持续材料管理提供了一个有希望的解决方案。”
更多信息：Clarissa Olivar 等人，《Composite Recycling with Biocatalytic Thermoset Reforming》，《美国化学会志》（2024 年）。
DOI ：10.1021/jacs.4c10838
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