近日，美国南加州大学的研究人员开发了一种新工艺，可以升级回收用于汽车面板和轻轨车辆的复合材料，包括碳纤维复合材料，以应对运输和能源领域的环境挑战。该研究最近发表在《美国化学学会杂志》上。
碳纤维是由碳原子制成的细纤维；它们非常轻，但具有非常高的抗拉强度和刚度，非常适合制造。聚合物基体是一种类似塑料的刚性材料（如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂），用作粘合剂;聚合物将碳纤维固定在一起，并赋予复合材料其形状。
CFRP，即碳纤维增强聚合物，是一种结合了碳纤维和聚合物成分的复合材料。“该研究展示了从 CFRP 材料的碳纤维和聚合物基体中回收高价值的第一种成功方法，”Williams 说。
“如果你环顾世界，你会发现碳纤维复合材料无处不在，”威廉姆斯说。“它们在我的自行车、我的车和我邻居的假肢里。”复合材料是大规模制造中使用最普遍的材料之一。汽车和飞机的结构板以及许多其他部件越来越多地使用 CFRP 制造。
“CFRP 的挑战在于你不能熔化或重新粘合它们，这使得它们在使用寿命结束时难以分离和回收，”Williams 说。事实上，唯一可用的回收方法是燃烧掉聚合物基体，适用于大约 1% 的复合废料。
南加州大学 Viterbi 分校的化学工程教授 Nutt 对这种策略持不同意见，他说：“基质是一种我们不想牺牲的工程材料。
该研究中展示的化学是一种新方法，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循环。该项目是 Williams 与南加州大学 Viterbi 工程学院 M.C. Gill 复合材料中心的 Steven Nutt、南加州大学 Alfred E. Mann 药学与制药科学学院的 Clay C.C. Wang 教授以及堪萨斯大学的 Berl Oakley 合作完成的。
“我不确定是否有可能完全回收复合材料，”南加州大学 Dornsife 文理学院化学教授 Travis Williams 说。“尽管这些材料对于制造节能汽车非常有用，但复合材料的问题在于我们没有实用的回收途径，因此这些材料最终会被填埋。”
预测表明，到 2030 年，6,000-8,000 架包含复合材料的商用飞机将达到使用寿命，到 2050 年，退役的风力涡轮机将产生 483,000 吨复合材料废物。Williams 说，他实验室的升级回收方法为日益严重的废物问题提供了一种可持续的解决方案，“我们的方法有可能在回收和化学制造中创造新的价值链，同时显着减少复合材料对环境的影响。
升级回收方法节省了 CFRP 的碳纤维，碳纤维是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的制造中重复使用它们，同时保持其原始强度的 97% 以上。这种方法是第一个成功地从 CFRP 的基体和碳纤维部件中获得价值的方法，将废物转化为有用的产品，减少对环境的危害。
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 Aspergillus 构巢曲霉的特殊类型的真菌，该真菌最初是在堪萨斯大学的 Berl Oakley 实验室设计的。南加州大学团队发现，在纤维回收反应将聚合物切碎成苯甲酸后，这种真菌可以从复合基质中重建材料，苯甲酸然后用作真菌的食物来源，使用这种真菌的工程菌株生产一种称为 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应用的产品，例如抗生素或抗炎药，”南加州大学曼恩分校教授兼该学院药理学和制药科学系主任、联合研究员 Wang 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有价值的东西，可以用于医学。”
升级回收方法不仅展示了使用真菌对废料进行生物催化升级的潜力，而且还突出了一种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。
“随着对 CFRP 的需求持续增长，这一突破来得正是时候，”Williams 说。“据预测，未来几十年 CFRP 废物将显著增加，这一概念为可持续材料管理提供了一个有前途的解决方案。”
关于这项研究：该研究的其他作者包括南加州大学的 Clarissa Olivar、Zehan Yu、Ben Miller 和 Maria Tangalos;以及堪萨斯大学的 Cory B. Jenkinson。
这项研究得到了美国国家海洋和大气管理局根据海洋资助奖 （NA24OARX417C0413-T1-01） 的支持;美国国立卫生研究院 （R21-AI156320）;美国国家科学基金会 （CMMI-2134658， 2227649）;USC（USC Dornsife College 教师工作组、Zumberge 基金和麦吉尔复合材料中心总裁可持续发展倡议）;南加州大学箭牌环境研究所（创新奖）;以及堪萨斯大学捐赠基金（Irving S. Johnson Fund）。
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