新加坡國立大學開發可持續方法將難以回收的碳纖維複合材料轉化為多功能氣凝膠

新加坡國立大學 (NUS) 開發出一種將難以回收的碳纖維和環氧樹脂複合材料廢料轉化為多功能氣凝膠的方法。該團隊通過機械研磨整個複合材料，包括纖維和樹脂，製造出輕質、無毒的多孔材料，然後與粘合劑一起進行冷凍乾燥。這種環保替代品避免了化學分離，並將航空和工業廢料重新利用為熱絕緣、聲音吸收和海洋油污清理的有價值材料。

傳統回收方法的挑戰

風力發電機葉片、飛機機身（如波音 787 或空中巴士 A350）以及汽車框架每年產生數千噸熱固性複合材料廢料，這些廢料目前大多最終進入填埋場或高排放焚燒爐。然而，它們的熱固性環氧成分無法熔化，使其難以回收。傳統的回收方法通常依賴高能耗、苛刻的化學品或高温，僅回收碳纖維，同時丟棄或破壞環氧樹脂。為瞭解決這個問題，這種新穎的可持續技術通過將纖維和環氧樹脂整體機械研磨成細粉末和碎片，並將其與基於纖維素的粘合劑混合，然後冷凍乾燥混合物來產生功能性氣凝膠。

該過程使用一種名為羧甲基纖維素 (CMC) 的天然纖維素基粘合劑，在冷凍乾燥過程中將磨碎的碳纖維和環氧粉末結合在一起。冷凍乾燥處理的複合材料廢料形成一種輕質的海綿狀結構，內部充滿微觀互聯的孔隙。由於空氣佔據了這個多孔網絡的大部分，熱傳導速度變慢，使得該氣凝膠在實驗室測試中展現出低熱導率，證明其作為超輕型熱絕緣材料的潛力。

研究領導者杜昂海明表示：「我們的目標是展示碳纖維複合材料廢料不必僅僅被視為處理問題。」杜昂副教授補充道：「通過使用整個材料，包括纖維和環氧成分，我們可以將這一廢料流轉化為具有更高價值的功能性材料。」最終材料具有低密度 (0.08–0.12 g/cm³)、高孔隙率 (91.25–94.51%) 和強大的機械完整性（彈性模量高達 418.95 kPa）。

氣凝膠的多功能用途

這些無毒的氣凝膠在聲音吸收方面表現出色，並且當處理成防水時，能夠吸收大量油以清理海洋漏油。該氣凝膠本質上具有吸收性，但為了使其能夠用於油污清理，需用基於烷基硅烷的化合物（或防水劑）進行化學塗層，使其能選擇性吸收疏水性流體（如油），同時排斥親水性流體（水）。測試顯示該材料具有多功能用途，具備熱絕緣性 (0.042–0.049 W/m·K)、聲音吸收（噪音減少係數高達 0.51）以及高達近 15 g/g 的油污清理能力（在表面處理後的油吸收量）。

此外，與人類細胞的生物相容性測試確認了材料的安全性，促使團隊尋求航空、製造和廢物管理領域的行業合作夥伴，以擴大技術的商業應用。杜昂副教授表示：「先進的複合材料在許多行業中使結構更輕、更高效。下一步是確保這些材料在其服務壽命結束時能夠可持續管理。」未來的主要挑戰是將實驗室規模的批量冷凍乾燥轉變為連續的大規模工業生產。相關研究結果已發表在科學期刊《廢物管理》中。

新技術對廢料管理的影響

新加坡國立大學的研究展示了如何將難以回收的碳纖維複合材料轉化為有用的氣凝膠，這不僅解決了環境問題，還為廢料提供了新的價值。傳統的回收方法面臨高能耗和化學品使用的挑戰，而這種新方法則強調了可持續性和資源再利用的重要性。隨著對環保材料需求的增加，這項技術有潛力在航空、製造和廢物管理等行業中發揮重要作用，促進更有效的資源循環。