废弃风机叶片基体组分（环氧树脂/玻璃纤维与热塑性聚氨酯/碳纤维）共混物的热解行为、动力学及产物分析

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Analysis of the pyrolysis processes, kinetics and products of end-of-life wind turbine blade base component blends (epoxy resin/glass fiber and thermoplastic polyurethane/carbon fiber)

本文系统研究了风机叶片中两种常见纤维增强复合材料（环氧树脂/玻璃纤维EP/GF和热塑性聚氨酯/碳纤维TPU/CF）在不同配比下的热解特性。研究发现纤维与基体间存在协同效应，纤维比例增加显著影响热解活化能（EP/GF:133.69-188.94 kJ/mol；TPU/CF:126.88-141.35 kJ/mol）。通过管式炉实验表明，热解气体产物以碳氧化合物、烷烃、烯烃和氢气为主，且配比变化会改变气体组成与热值（EP/GF:13.86-17.14 MJ/Nm3；TPU/CF:6.99-8.54 MJ/Nm3）。扫描电镜证实热解后纤维表面基体被有效去除，为废弃叶片资源化利用提供了理论依据。

　　

Highlight

材料

本实验样品由环氧树脂(EP)、玻璃纤维(GF)、热塑性聚氨酯(TPU)和碳纤维(CF)按相同三种配比物理混合而成。其中，EP采用双酚A型环氧树脂(E-03)与固化剂（瀚森产混合胺类固化剂）以100:28比例混合，室温固化24小时后粉碎研磨成200目粉末。GF为E-玻璃纤维，TPU为聚醚型热塑性聚氨酯颗粒，CF为聚丙烯腈基碳纤维。所有材料均经粉碎过筛至75-150μm粒径范围。

原料组成与热重分析结果

表S1展示了EP/GF与TPU/CF共混物的工业分析与元素分析数据。结果表明，EP/GF具有较低水分和固定碳含量、较高挥发分以及最高灰分；而TPU/CF因CF存在呈现最高固定碳含量，其次为挥发分、水分和灰分。两种共混物主要元素均为碳、氧、氢，因此热解过程将生成含碳氧化物、烃类等气体产物。热重分析显示，升温速率提高使EP/GF热解规律性较TPU/CF有所下降。

结论

本研究对比了不同配比EP/GF与TPU/CF物理共混物的热解特性、动力学及产物性质，重点探究了基体与纤维间的协同效应。两种材料热解曲线相似，但EP/GF活化能随纤维比例增加显著升高（133.69-188.94 kJ/mol），TPU/CF增幅较小（126.88-141.35 kJ/mol）。管式炉等温热解表明气体产物类型相近，但配比变化影响气体组成与热值：EP/GF气体热值在3:6配比达峰值（17.14 MJ/Nm3），TPU/CF在2:7配比最优（8.54 MJ/Nm3）。扫描电镜显示热解后纤维表面基体有效去除，但纤维比例增加会削弱去除效果。本研究为风机叶片差异化热解工艺设计提供了数据支撑。

作者贡献声明

葛立超： 综述撰写-审阅、方法论构建、研究实施、概念化；杨清源： 初稿撰写、可视化呈现、形式化分析；冯红翠： 综述审阅、项目管理；李茜： 方法论支持；张伟轩： 数据整理；刘彦全： 资源供给；刘慧文： 资源协调；王洋： 项目管理；徐畅： 研究监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的已知经济或人际关系冲突。

致谢

感谢国家自然科学基金（项目编号52406248）与中央高校基本科研业务费（项目编号B240201180）的资助。