科技应用前沿——生物复合材料在风能领域崭露头角

大麻纤维制备BioBalsa有望替代轻木和泡沫用于风电叶片

当前世界对风能的日益依赖，导致风力叶片的需求量逐渐增大。但由于轻木的短缺和飞涨的成本，使其满足风能市场需求越来越困难。目前有部分叶片制造商在叶片尖端使用PET和PVC泡沫代替轻木，但部分区域比如叶片根部仍需要轻木来为叶片提供剪切模量。

近期叶片材料市场传来好消息，总部位于加拿大的一家公司INCA Renewtech 据称将为叶片市场提供一种轻木替代方案——一种可持续的生物复合材料，可在叶片的任何位置取代轻木。该公司称，其生物复合材料（即BioBalsa™）由大麻纤维制成，密度与轻木相当（每立方英尺10磅），并且此种材料纤维随机摆放，其抗压强度甚至比木材更好。该公司表示，BioBalsa 比轻木和泡沫更具有成本竞争力和可持续性，同时它可设计为同时提供防潮和防火性。

此生物复合材料的大麻纤维来自加拿大大草原。据称此大麻植物的高茎含有地球上某最强纤维，但未被充分利用。目前仅被用作马的垫料和土壤修复。如果可以加工和提炼此类大麻作物以制造纺织级材料，大约99% 都是纯纤维，人类就可以利用这种材料制备所需的生物基复合材料。本质上可以说是一种废物利用，从低成本原材料中获得更高的价值的再生过程。

而本文提到的BioBalsa 就是由草皮中的短纤维（茎秆的木质内部部分）制成，替代玻璃纤维作为增强材料。据称一立方米的BioBalsa可以隔离 260 公斤的二氧化碳。该公司技术人员继续宣称，与轻木的切割和铣削相比，BioBalsa 的生产减少107%的温室气体排放，并减少93%的废物产生。它产生的碳排放量比PET少164%，废物产生量比PVC泡沫生产少 99.56%，耗水量少“93%。

相关报道称，固瑞特被 INCA公司的此生物基复合材料BioBalsa吸引。目前全球都在积极应对双碳目标的达成，而风力涡轮机行业的目标就是零浪费、可回收的涡轮机结构，并进一步寻找减少其温室气体足迹的方法应用于风力叶片。因此，一种既是生物基又由回收成分制成的材料显然是一种好处，并为可持续性和技术趋势提供了答案。目前固瑞特对此BioBalsa产品完成了相关测试工作。而BioBalsa的特定特性，包括其密度和材料的树脂吸收率，将决定风力叶片的哪些部分最适合并与其他材料竞争。

用于风力叶片的 BioBalsa 将于 2024 年初在工厂开始大规模生产。与此同时，INCA 公司和固瑞特将通过独立实验室测试的试验型BioBalsa叶片，以获得新生物复合材料的广泛市场认可。

竹纤维用于风电叶片

竹纤维用于风电叶片也是这几年兴起的新兴话题。在中国，早在2006年，就有学者研究先进生物质复合材料也就是竹纤维在风电叶片中的应用。2010-2012年间就有中国叶片厂商尝试用竹纤维制作叶片，比如当年山东世纪威能开发的第一套具有完全自主知识产权的竹纤维风力发电叶片，并交付三一集团进行挂机运转发电。中复连众在2010年就尝试研发1.5MW竹纤维复合材料风机叶片并成功下线。国外这几年也有相关研发机构和企业在研究将竹纤维运用于叶片制作。但是都仅限于前沿研究，并未达到成熟规模化应用。竹纤维具有优异的产品性能，是复合材料理想的制造原料之一。且其可再生、可自然降解，绿色、环保性能突出。由于近年中国风电建设从陆地到海洋，从陕北到向内地扩展，对叶片叶型和材料本身提出了新的需求。作为环保加高性能竹纤维，即是机遇也是挑战。

竹纤维复合材料具有十分广阔的市场前景。经过几年的发展和市场定位，竹纤维复合材料已经有汽车、风电等工业化及建材等多领域的应用。多项优势可看出竹纤维复合材料将是由中国原创技术发明并主导的下一个千亿级材料市场，并将在部分产业中代替传统复合材料和金属材料。

生物源高分子材料—解聚双向可控技术应用于叶片

生物经济复合材料技术的下一步发展可以考虑生物源高分子材料的聚合—解聚双向可控技术及其应用。这个技术的突破将给像风力发电叶片这样大型产品的回收再利用开辟一条崭新的道路。而这正是当前风电清洁能源开发中由废弃叶片引发的环境不清洁不友好的一个困境。目前已知有成功研发的生物热固性环氧树脂。这种绿色环氧树脂既可以与碳纤维复合生产高性能航空航天复合材料，也可以与玻璃纤维复合生产价廉物美的工业复合材料，甚至与植物纤维复合生产绿色复合材料等。目前，此种材料在中国商飞、空客公司和德国航空航天研究中心等高端客户那里开展了应用研究和评价，结果令人非常鼓舞。