然而，碳纖維仍需得到進一步的完善，以為大眾汽車市場的應用提供必要的經濟性。美國國家可再生能源實驗室（NREL）的科學家Nicholas Rorrer解釋說：“碳纖維很貴，制造它需要消耗大量的能源，所以從這個角度來講，它并不利于控制溫室氣體（GHG）排放。但如果使碳纖維變得更易于回收，將有助于改善這一狀況。”

 

憑借在生物基材料設計方面的最新進展，以工業化的規模回收碳纖維可能已經近在咫尺。

 

     在由美國能源部車輛技術辦公室支持的Composites Core Program項目下，Rorrer與NREL的其他研究人員已經揭示了采用生物基環氧樹脂和一種酸酐固化劑制造的碳纖維復合材料，通過引入更容易降解的交聯劑，使材料完全可回收。事實上，這種名為甲醇分解的回收過程可以在室溫下有選擇性地觸發，而不降低纖維的質量或改變其取向。這意味著向循環經濟邁出了堅實的一步，可以使碳纖維在多樣化的應用中變得更便宜、更環保。

 

近距離了解碳纖維

    強大、輕質且不可回收——今天的碳纖維復合材料是通過將編織的碳纖維長絲浸入到膠狀的環氧樹脂中制成的，由此而產生的材料可以提高汽車的性能但不能有效回收

 

    既強壯又輕質，碳纖維復合材料的優勢來自于其分層設計，它是由純的碳纖維長絲與熱固性的膠狀環氧樹脂組合而成的一種復合材料。固化時，液體樹脂中的分子相互結合在一起并圍繞著編織的碳纖維長絲，從而硬化成強而堅固的網格狀物。

 

    在模具中成型時，這種材料可以形成多種應用的多種形狀，從汽車保險杠到風機葉片等。

 

    然而，固化后環氧樹脂的熱固性特征，使得這些優質產品難以分解，尤其是不會嚴重損壞碳纖維長絲。因此，盡管價格昂貴，但碳纖維制品在使用壽命結束后往往被送入垃圾填埋場。

 

    雖然碳纖維可以將傳統乘用車的重量減半，從而將燃油效率提升35%，但其任何提高效率的優勢都被制造它所消耗的能源以及大量的溫室氣體排放抵消掉了。合成碳纖維需要的溫度超過1000℃。

 

    這一現實讓Rorrer想到：“有沒有一種方法可以多次重復使用碳纖維，通過回收這些纖維來獲得更多的價值和環境效益呢？”

 

通過設計使環氧樹脂可回收

 

    Rorrer及其同事們開始研究生物質的化學性質，以了解是否可以利用這些化學性質來設計一種可以得到回收的新的環氧樹脂。與石油中的碳氫化合物相比，生物質中含有更多的氧氣和氮氣, 它們提供了不同的化學可能性。

 

    “我們以生物質為原料合成環氧和酸酐，基本上重新設計了環氧胺樹脂。”Rorrer解釋說，“我們已經證明，重新配制的樹脂可以保持或超越今天的環氧胺樹脂的所有性能，同時還可以通過設計使它們在室溫下具有可回收性。”

 

    采用一種特殊的催化劑，NREL團隊能夠在室溫下分解這種生物基樹脂，這是一個被稱為解聚的過程，使他們能夠回收碳纖維長絲并保持纖維的質量和取向。

 

    “我們至少可以在3次復合材料的生命周期中保持纖維的質量。”Rorrer 說道，“所以我們不僅可以回收它，還可以循環利用它而不會損害它的性能。”

 

    結合NREL對生物基丙烯腈作為碳纖維原料的研究，這項在環氧樹脂上的突破可以大大提高碳纖維復合材料的成本效益和環境友好性。

 

    對碳纖維的提取和回收，使得這種材料對于大眾化的電動汽車市場而言更加經濟適用，能夠抵消電池帶來的額外重量，還能夠將這種材料引發的碳排放降低20%～40%。更重要的是，可以在不增加制造成本的情況下實現這一切。按照Rorrer的估算，NREL的環氧樹脂的生產成本與今天的石油基環氧胺樹脂的大致相當。

 

    “通過用生物原料取代石油原料，我們不必消耗額外的能量來重組它們的化學成分。”Rorrer 補充道，“這使我們能夠以更低的成本更精確、更有效地設計具有性能和環保優勢的先進材料。”