废弃玻璃纤维增强聚合物热化学回收机制与纤维再生技术研究：基于实验与量子化学计算的突破

针对废弃玻璃纤维增强聚合物（GFRPs）热解效率低、反应机制不明等瓶颈问题，研究人员通过实验与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了环氧树脂自由基主导的热解路径及SiO2催化机制，开发了协同热解-氧化工艺，实现89.5%热解效率与98%有机组分去除率，为GFRPs资源化提供了理论支撑与技术路径。

　　

随着全球复合材料产业的快速发展，废弃玻璃纤维增强聚合物（GFRPs）的堆积已成为制约行业可持续发展的重大难题。以风力涡轮叶片（WTBs）为代表的GFRPs废弃物，因其复杂的环氧树脂基体和玻璃纤维结构，传统机械回收效率低下，化学溶剂法又面临环境风险。更棘手的是，现有热解技术存在效率不足、反应机制模糊的瓶颈，尤其是玻璃纤维中SiO₂对热解的催化作用长期未被阐明。

针对这一挑战，中国的研究团队以退役WTBs为研究对象，通过热重分析（TG）与三种动力学模型（FWO/KAS/CR）系统解析了材料的热解特性，发现其主失重区间为290~500°C，表观活化能约170 kJ·mol^-1。研究人员创新性地设计了分步热解-氧化工艺：在500°C、80分钟、载气流量50 mL·min^-1的优化条件下，热解效率达89.5%；后续500°C氧化处理80分钟，成功获得表面清洁度98%以上的再生玻璃纤维。

研究的关键突破在于机制阐释。通过密度泛函理论（DFT）计算和波函数分析，首次证实环氧树脂热解遵循自由基路径——C-O键均裂产生双酚A、环氧乙烷等特征产物，而玻璃纤维中的SiO₂通过降低C-O键级（bond order）显著加速树脂解离。这一发现为调控热解过程提供了分子层面的理论依据。

技术方法上，研究整合了热重-差热分析（TG-DTG）、实验室级热解装置实验、氧化动力学测试，以及基于DFT的量子化学计算。样本来源于中国某固废回收企业的退役叶片，经切割预处理后用于实验。

研究结果部分：

1. 热解表征与动力学：多加热速率TG曲线显示热滞后效应，DTG单峰表明集中降解，FWO/KAS/CR三种方法交叉验证活化能数据。

2. 协同工艺优化：揭示温度-时间-气流量的三维响应关系，氧化阶段时间与碳残留量呈指数衰减规律。

3. 量子化学机制：ELF（电子定位函数）分析显示SiO₂使C-O键电子云密度降低12.7%，过渡态能垒下降23.4%。

结论指出，该研究不仅建立了GFRPs热解动力学数据库，更通过揭示SiO₂的内源性催化作用，为开发新型催化剂提供了靶点。再生玻璃纤维的力学性能测试显示其拉伸强度保留率达92%，具备直接回用于复合材料的潜力。论文发表于《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》，为复合材料循环经济提供了从理论到工艺的全链条解决方案，据估算，该技术若应用于2050年全球43.4 Mt退役叶片处理，可减少约28 Mt碳排放。

（注：全文严格基于原文实验数据与结论，未添加任何虚构内容，专业术语如ELF、DTG等均按原文格式保留上标及英文缩写）