高产降本黑科技！报废玻纤蜕变成碳化硅半导体

【PolymerTech】获悉，近日，美国工程院院士、美国莱斯大学James M. Tour教授团队，联合科尔万大学赵玉峰教授团队，开发了一种快速焦耳热碳热还原将玻璃钢升级回收成为碳化硅的新方法，可将不同玻璃纤维增强塑料（GFRP）的混合物超快转化为碳化硅（SiC），并且产量高于90%。

相关成果以“Flash upcycling of waste glass fibre-reinforced plastics to silicon carbide”为题发表在《Nature Sustainability》上，莱斯大学博士后程熠、博士研究生陈进航和清华大学助理教授邓兵为论文的共同第一作者，莱斯大学James Tour教授和科尔万大学赵玉峰教授为论文通讯作者。

纤维增强塑料（FRP）回收难

纤维增强塑料就是将增强纤维嵌入聚合物基体中，通常是热固性的，成型后十分坚固。而在众多FRP中，玻纤增强塑料（GFRP）凭借着轻量、高机械机械性能和耐化学腐蚀等优点，占到了95%，被广泛用于汽车、航空、航天、船舶、风电叶片、运动器材、军工等领域。据估计，全球GFRP年需高达600万吨，年增长率达10%，但由于其寿命只有10-40年，一旦报废，由于其热固性复材特点，十分难处理，考虑到经济性，大多都被填埋处理。

百万吨风电设备退役报废潮即将来临

图源：网络

根据反向发票能否抵扣进项税，反向开票可以分为两类：一类具有抵扣进项税功能。例如农产品收购企业自行填开农产品收购发票，可用于计算抵扣企业进项税额；另一类不具有抵扣进项税功能，主要作为税前扣除凭证及财务核算凭证使用。

废弃玻纤复材升级回收变碳化硅和石墨烯

虽然此前已经有不少人尝试开发用焚烧或者溶解处理废旧GFRP，但是由于高能耗且易造成环境污染，至今仍未找到一种行之有效的方法。对此，莱斯大学团队开发了闪蒸碳热还原（FCR）工艺，先将废弃的 GFRP 和 CFRP 研磨成微米大小的粉末（下图a）。研磨后的 GFRP 粉末由 63 wt%的无定形二氧化硅和 37 wt%的聚合物涂层组成。在碳化还原过程中，GFRP 和 CFRP 的混合物在石英管内轻微压缩，石英管两侧各有两个石墨电极，并与外部电容器组相连。CFRP 既是导电添加剂，也是碳热还原剂。在闪蒸过程中，电流脉冲以高压输入方式通过样品，使样品在几毫秒内达到高温。输入电压为 150 V 时，通过样品的最大电流在 1 s 放电时间内达到 ∼ 350 A（下图b）。使用红外测温仪测量了样品的温度曲线，在 150 V 输入电压下，样品以超高速升温（∼104 °C s-1）和降温（∼103 °C s-1），峰值温度达到 ∼2,900 °C（下图c）。在如此高的温度下，GFRP 中的 SiO2 可以通过碳化热还原成 SiC，而多余的碳则会转化为闪石墨烯。

通过FCR工艺将FRP升级为碳化硅

图源：论文

作者观点

作者进行了 "从摇篮到终点 "生命周期比较评估，以比较 FCR 升 级再循环工艺与其他纤维增强塑料处理工艺对环境的影响和能源需求。本研究考虑了三种情况（下图a），即溶解、焚烧和 FCR 工艺。分析了三种环境影响：能源需求、温室气体排放和用水量。由于反应时间超短、能效高，FCR 工艺的能耗、温室气体排放量和耗水量均大幅下降（下图b）。具体而言，FCR 工艺的累计能耗分别比溶解和焚烧回收工艺低 77% 和 96%（下图cc）。该快速燃烧和碳还原工艺的温室气体累积排放量与溶解法相当，比焚烧法低 81%（下图d）。当合成 1 千克 SiC 时，回收相应数量的废纤维增强塑料，FCR 的成本低至 0.047 美元/千克（分别为溶解法和焚烧法的 0.2% 和 3.4%）（下图e）。

纤维增强塑料回收利用的生命周期评估

图源：论文

鉴于全球废旧FRP的数量不断增加，FCR方法提供了一种经济环保的途径，将废旧FRP升级为增值SiC，具有良好的相位可控性。这减轻了废物处理的负担，并大大减少了传统回收方法产生的二次废物流。这种方法也可以扩展到升级回收多种含硅废物，包括玻璃和沙子。当进一步扩大到公斤或吨规模时，这种方法有望促进循环经济，从而合成的SiC可以在电池以外的更广泛应用中提供机会，例如复合材料增强、半导体、光催化和电催化。

市场前景

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。

近年中国玻纤纱产量

图源：网络

总的来说，如果未来这项技术得到推广和应用，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。

文章来源：《Flash upcycling of waste glass fibre-reinforced plastics to silicon carbide》

https://doi.org/10.1038/s41893-024-01287-w    

DT新材料于2024年5月在安徽合肥举办2024（第六届）新能源汽车创新材料大会，结合当下政策及企业关注的痛点问题和未来发展方向，联合国内外主机厂、零部件供应商、材料及设备解决方案商、科研院所等单位，围绕新能源汽车产业链，共同探讨非金属材料在新能源汽车可持续领域的创新应用和挑战，推动产业链协同发展。

 2024（第六届）新能源汽车创新材料大会

——全球视野，共谋创新，低碳未来

 主办单位：DT新材料

 承办单位：宁波德泰中研信息科技有限公司

 峰会时间：2024年5月

 峰会地点：安徽·合肥

大会亮点

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