复材新工艺-玻璃纤维增强塑料（GFRP）转化为硅碳化物

图 回收过程

通过FCR将FRP升级回收为碳化硅。a，FCR过程中FRP升级回收的示意图。第一步中的插图：从杜瓦瓶拆卸和切碎的废弃GFRP的图片。第二步中的插图：FCR反应前（i）和反应中（ii）样本在石英管中的图片。b，FCR过程中输入电压150伏和持续时间1秒的电流曲线。c，用红外温度计记录的输入电压100伏（蓝色）和150伏（红色）下的实时温度曲线。温度计的检测范围是1000到3000°C。d，不同二氧化硅和碳比例下吉布斯自由能变化（ΔG）与温度的关系。水平虚线表示ΔG为零。来源：《自然可持续性》（2024）。DOI: 10.1038/s41893-024-01287-w
        根据发表在《自然可持续性》杂志上的一项研究，莱斯大学的研究人员及其合作者开发了一种新的、能效高的升级回收方法，将玻璃纤维增强塑料（GFRP）转化为广泛用于半导体、砂纸和其他产品的碳化硅。

“GFRP用于制造非常大的物件，大多数情况下，我们将飞机的机翼结构或风力涡轮机的风车叶片整体填埋在垃圾填埋场中，”莱斯大学的T.T.和W.F. Chao教授，化学及材料科学和纳米工程学教授James Tour说。“以这种方式处理GFRP是不可持续的。直到现在，还没有好的方法来回收它。”

图 玻纤风电叶片

随着监管机构增加压力，要求修订和改进报废车辆的回收实践，迫切需要更好的方法来管理GFRP废弃物虽然一些人尝试开发使用焚烧或溶剂解析的方法来处理GFRP，但在Tour实验室工作的博士后研究助理和莱斯学院初级研究员Yi Cheng表示，这些过程不够理想，因为它们资源密集且会导致环境污染。
“这种材料的玻璃纤维表面有塑料，焚烧塑料会产生大量有毒气体，”程说。“试图溶解GFRP也存在问题，因为它可以从溶剂中产生大量酸性或碱性废物。我们希望找到一种更环保的方式来处理这种材料。”
Tour的实验室已经因开发使用闪光焦耳加热的新型废物处理和回收应用而成为头条新闻，这项技术通过在适度抗材料通过电流迅速加热至极高温度，从而将其转化为其他物质的技术。

Tour教授的实验室利用这一技术，开发了将GFRP升级回收为碳化硅的新方法。碳化硅是一种广泛用途的材料，包括在半导体、砂纸及其他产品中的应用。这种升级回收方法不仅提供了一种处理GFRP废弃物的可行途径，而且还促进了环保和资源的可持续利用。

2023年中国玻纤产量约为740万吨，同比上升10.10%。近十年中国玻纤产量CAGR约为9.08%，高于全球产量复合增速，全球玻纤产能逐渐向中国转移，2010-2023年，中国玻纤产量在全球占比从54%提升至66%。目前我国玻纤具有绝对的产业优势，且技术日趋先进。由于受国际贸易和新应用领域的开发，玻纤价格呈上涨趋势。上涨原因就是电子纱的开拓以及玻纤大量出口，实际用于复材的玻纤反而变少，导致价格上涨。

国内市场，中国三大玻纤企业年产能合计占到国内产能的70%以上。尤其以中国巨石为代表的玻纤龙头老大，产能位居全球第一，在国内与全球产能占比分别达到36%与24%。国内玻纤除中国巨石、泰山玻纤、重庆国际外，也涌现出其它例如山东玻纤、长海股份等知名企业。以中国为代表的玻纤企业迅速崛起，正不断改变着世界玻纤格局。

图 近年中国玻纤纱产量

为保障国内玻璃纤维生产主要原料的稳定供应应积极开展全球渠道，同时，探索玻璃纤维生产用原料的多元化供应，包括使用锂矿渣、煤矸石等工业固废。

组织开展碳减排系列标准研制工作，开展玻璃纤维行业碳排放解剖“麻雀”专项研究课题等工作。促进粗纱/细沙池窑单位产品能耗从2007年1tce/t减少至2023年0.25/0.35tce/t。从基于机器换人的无人车间，转向基于互联网的数字化赋能，注重提升智能预测和智能决策能力。淘汰低端落后产能持续征集行业落后产能线索并移交生态环境部，争取多方联动，有效压缩低端落后产能生存土壤。推动产业集群高质量发展发挥骨干企业区域产业集群链主创新引领作用，实施地方特色产业集群高质量发展培育实践计划。拓展行业发展新领域新赛道积极推动光伏用玻纤制品市场应用拓展。推动安全防护用玻纤制品市场应用拓展。积极推动建筑外墙保温用玻璃纤维网格布市场规范化建设。玻纤增强塑料废旧制品循环利用解决方案玻璃纤维拉丝生产过程中，熔融好的玻璃液经过拉丝漏板拉丝成型，因拉丝中断产生的未涂覆浸润剂的玻璃丝，已完全实现回窑再生。玻璃纤维及制品生产过程中产生的未经污染的表面涂有浸润剂的纱线及其织物余料，经扯松、开清、短切等工艺处理后可用于玻纤制品的生产。主要包括机头丝、丝饼内外圈、布边条、毡边丝等，已制定相关产品标准，也已完全实现回窑再生。玻纤行业正在积极探索玻纤增强复合材料废旧制品回玻纤池窑再生利用技术，作为行业实现材料循环再生利用问题的兜底技术，解除下游应用领域对于玻纤增强复合材料废旧制品回收再利用问题的担忧，塑造行业发展新动能新优势！

研究人员开发的玻璃纤维增强塑料(GFRP)到碳化硅转换的新方法，不仅解决了GFRP废弃物处理的难题，还为循环经济的发展提供了新的思路。这一创新技术通过闪电焦耳加热，将GFRP转化为广泛应用于半导体、砂纸等产品的碳化硅，展现了废弃物利用和资源回收的巨大潜力。

随着技术的不断成熟和规模化生产的实现，预计这种转换方法将大幅降低GFRP的处理成本，同时减少环境污染。这种高效、低成本、环境友好的转换技术有望推动GFRP废弃物的广泛回收利用，为半导体工业等领域提供高质量的碳化硅原料。

未来，这项技术的推广和应用将促进循环经济的发展，支持可持续的产业转型，为解决全球环境问题贡献力量。通过不断创新和技术进步，我们可以期待一个资源高效循环利用、环境更加清洁的未来。

信息来源：Phys.Org

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