环氧树脂体系在风力机中的应用、回收与更新

6 FRP叶片的材料回收与更新近况

6.1 概 述

热固性树脂(如：环氧树脂等)固有的重要本性是：固化后成为不溶不熔、网状、体形结构，坚硬且受热不再变软，不可回收，成为一个严重污染源——当今世界亟待攻克的环保课题之一。纤维增强热固性树脂(FRP俗称玻璃钢)里含有大量(约30%)热固性树脂，因而具有上述污染性能。从环保、长远观点看，热固性树脂、FRP的发展前景黯淡，纯属“夕阳材料”;惟有热塑性树脂、FRTP才是发展方向!

当今风电业突飞猛进，眼下世界风电量是1980年的10倍;同时，风电叶轮直径超过60m，增长了8倍。风力机叶片的材料消耗量很大，例如：按风力机装机容量计算，每KW的叶片材料重量为10kg;按风力机输出功率计算，每MW的叶片材料重量为10t(原文的数据：每7.5MW的叶片材料重量为75t)。Albers预计：2034年世界回收叶片材料约22.5万t/a。另一专家预测：2040年世界回收纤维增强复合材料约38万t/a。

风电业起步较晚，再有FRP叶片的有效服务期为20～25年。因此，目前绝大部分叶片离退役还早呢!然而，未雨绸谋，一些发达国家眼下就进行了许多关于FRP叶片的材料回收与更新的研究、探讨。实践说明，回收纤维不应再充当叶片的增强纤维，因为后者的性能要求极高、苛刻。报废FRP叶片大致分为两大类：①叶片生产、运输、仓贮、运行过程中产生，又修复不好的次品;②到期退役的叶片。目前，世界范围内废FRP叶片的量还很小，例如：目前丹麦每年废FRP叶片仅500t/a [注],可见一般([注：] 目前丹麦每年废FRP总量约5 000t/a, 其中来自FRP行业报废的4 000t/a、废FRP叶片500t/a、废玻纤500t/a。)!显然，目前FRP叶片市场尚处于孕育、培养过程中;也没有适用于全欧洲的有关回收FRP叶片的法律。有专家预测：15～20年后将出现FRP叶片报废、回收高峰期。
 

6.2 FRP叶片回收工艺

FRP叶片回收工艺大致有三种：填埋法、焚化法和回收法。

6.2.1填埋法

直接把废FRP叶片埋到地下。简单易行，成本极低，但占据地盘(土地不可再生)，污染源依然如故，只不过被一层薄土掩盖住了而已。因此2005年6月德国颁布了禁止填埋FRP的法令。当今丹麦大部分废FRP叶片都填埋掉。1995年丹麦通过了禁止填埋、丢弃汽车轮胎的法律，于是回收废轮胎行业应运而生。该国人民呼吁将该法律套用到废FRP上，但政府却答复：这难题让市场去解决吧!

6.2.2 焚化法

把废FRP叶片焚烧掉(如：在热电厂焚烧)。所产可燃物质可用于发电和回收热能，产的残渣率约60%，残渣中的玻纤可作FRP填料。

6.2.3 回收法

回收法可分为物理回收和化学回收。

(1)物理回收

2003～2005年欧洲有的研究单位进行了机械回收FRP(包括FRP叶片)研究：把FRP研磨碎，回收纤维被再利用。丹麦Erik Grove-Nielsen公司机械回收FRP：挤压废FRP，回收纤维的拉伸强度不会降低。

REACT国际协会设计、研制能加工出理想规格纤维的(fit-for-purpose-size-reduction)混杂纤维梳散机(a hybrid shredder),其产量约2.5t/d。其原理、工序是：①用锤猛击废FRP，使树脂与纤维剥离，确保纤维(指回收纤维，下同)长15～25mm，且内伤最小(“minimal internal damage”);②纤维再生工艺(a reactivation)：用新化学粘结剂处理纤维表面，从而提高它与新基材的粘结性能;③清除纤维表面的杂质(杂质会降低纤维与基材的粘结性);④纤维按长度分等级。
 

(2)化学回收

化学回收有溶剂溶解工艺和高温分解工艺等。下面试举后者的一个实例。

丹麦ReFiber公司的高温分解与气化工艺(pyrolysis and gasification)：将废FRP连续喂入无氧回转焚化炉(oxygen-free rotating oven)，废FRP在无氧气氛中高温(500℃)焚化后，所产合成煤气(synthetic gas, 废FRP里树脂焚化产物)用于发电或供应焚化炉;回收GF与少量PP纤维混合后喂入加热炉，PP纤维熔化并涂敷GF表面，成为稳定的保温板坯(stable insulation slab)。另外，利用高温分解工艺，从CF/环氧预浸料回收的CF，与原始值相比，其弹性模量不变，最大拉伸强度下降5%。

6.3 FRP叶片的材料更新近况

一般地说，FRP叶片污染环境的解决办法就是：材料更新换代——用热塑性树脂取代传统的热固性树脂来加工叶片。“热塑性树脂及其复合材料(FRTP)可以回收且轻(跟环氧树脂相比)，但易发生蠕变，用胶粘剂胶结FRTP壳体比较困难。因此，不适于加工大型风电机叶片。”实践说明，用普通FRTP加工小功率(如：5KW)叶片，可以胜任;但加工更大功率(如：MW级)的叶片就成问题——这就必须选用高性能FRTP加工。这也就是说，传统FRP叶片材料的更新换代，必须进行一系列科学实验、研究——系统工程，方能成功。下面试举实例：例一：“Gaoth Teo、三菱重工和Cyclics公司合作，选用CBT™树脂(低粘度工程热塑性树脂)、无害环氧树脂和一种增强型添加剂等，破天荒地研制成可回收[注]、长12.6m风力机叶片。([注]：平均每台风力机回收叶片材料19t)”例二：瑞典利用聚对苯二甲酸乙二酯(PET)做叶片芯材。PET可回收，而且回收料的性能、强度如初。例三：Risoe DTU公司宣布：帮助中国林业部门利用竹纤维(bamboo shreds)/环氧树脂试制叶片。后来，因环氧树脂不可回收，又希望进一步用生物粘结剂(bio-based adhesive)取代上述环氧树脂。