摘要：环顾世界，就会发现碳纤维复合材料（CFRP）无处不在。自行车、汽车、飞机都有碳纤维复合材料。根据公开资料，到 2030 年，将有 6000-8000 架含有复合材料的商用飞机报废，到 2050 年，退役的风力涡轮机将产生 483,000 吨复合材料废物。
环顾世界，就会发现碳纤维复合材料（CFRP）无处不在。自行车、汽车、飞机都有碳纤维复合材料。根据公开资料，到 2030 年，将有 6000-8000 架含有复合材料的商用飞机报废，到 2050 年，退役的风力涡轮机将产生 483,000 吨复合材料废物。
碳纤维是由碳原子构成的细纤维，非常轻，但具有非常高的抗拉强度和刚度，适合制造；聚合物基质是一种塑料状的刚性材料（例如环氧树脂、聚酯或乙烯基树脂），可充当粘合剂；聚合物将碳纤维粘合在一起并赋予复合材料形状。CFRP 是一种结合了碳纤维和聚合物成分的复合材料。
传统的碳纤维回收方法包括机械回收、热解回收和化学回收等。机械回收操作简便、成本较低，但回收过程中碳纤维易受损，影响性能；热解回收如流化床分解法，得到的碳纤维力学性能下降严重，影响再生碳纤维的应用范围，且存在再生碳纤维长度短、回收率低等缺陷；化学回收可以有效保护碳纤维的性能，但需要大量化学试剂，且回收过程中可能产生环境污染。
最近，堪萨斯大学和南加州大学的研究人员共同开发了一种突破性的新技术，能够高效回收碳纤维复合材料。这一技术不仅能够分解 CFRP 中的聚合物矩阵，还能保持碳纤维的完整性和性能，使得回收的碳纤维保持超过 97% 的原始强度。
更为创新的是，研究人员利用基因改造的一种真菌——构巢曲霉（Aspergillus nidulans），能够将分解过程中产生的苯甲酸转化为一种具有潜在医疗应用价值的化学物质 OTA（(2Z,4Z,6E)-辛-2,4,6-三烯酸）。这项技术不仅为 CFRP 的回收提供了新的解决方案，还可能在环境和经济上带来显著的效益，这项研究成果在线发表于 Journal of the American Chemical Society，题为“Composite Recycling with Biocatalytic Thermoset Reforming”。
这项研究由南加州大学 Clay C. C. Wang 教授和 Travis J. Williams 教授，以及堪萨斯大学的 Berl Oakley 教授合作完成的。
在这项新研究中，科学家们开发了一种化学方法，能够分解并移除碳纤维复合材料（CFRP）中的矩阵，同时保留碳纤维的机械性能。
图｜碳纤维复合材料 CFRP 消化反应的过程
方法的第一步是进行预处理，目的是将 CFRP 中的碳纤维和聚合物矩阵分离，这一步骤非常关键，因为它决定了后续材料的纯度和质量。研究人员先将 CFRP 板浸泡在苄醇和三水合磷酸三钾的混合溶液中，持续 24 小时，温度维持在 180℃。这一步骤使得复合材料发生膨胀，从而促进了后续化学试剂的渗透和矩阵的分解。
预处理后，再通过使用锰(II)和钴(II)硝酸盐对 CFRP 进行消化，即可成功分解材料中的热固性矩阵，同时保留碳纤维的完整性。实验中发现，三水合磷酸三钾对于实现完全消化至关重要，而增加反应时间和醋酸的用量则有助于在降低催化剂负载的情况下实现更完全的消化。
图｜利用真菌进行 OTA 生物合成的流程
最终，回收的碳纤维经过扫描电子显微镜（SEM）检查，确认表面干净且无损伤。X 射线光电子能谱（XPS）分析显示，尽管材料尺寸功能在回收过程中有所减少，但通过硝酸处理后得以恢复。不仅如此，实验结果表明，回收的碳纤维保持了超过 97% 的原始抗拉强度和超过 99% 的模量。因此，回收后的碳纤维能够被重新制造成性能与原始材料相媲美的第二代复合材料，充分证明了回收过程的有效性。
此外，在化学分解过程中产生的化学组分，特别是苯甲酸，需要被回收和纯化。研究人员则进行进一步的过滤、萃取和结晶过程，以去除不需要的副产品，如低聚物和邻苯二甲酸等。并利用基因工程菌株构巢曲霉将苯甲酸转化为高价值的次级代谢产物 OTA，其可用于制造具有潜在医疗用途的产品，如抗生素或消炎药。
最终，该研究中的产量比之前使用细菌合成 OTA 的报告高出 172−185%。这一显著提升表明，使用真菌生物催化的方法在产量上具有明显优势，而且还能够提升 CFRP 回收过程中的经济效益。
总而言之，这项回收技术不仅十分快速（一周内完成），且环境友好，为 CFRP 的回收和再利用提供了一种新的方法。这种方法不仅能够从 CFRP 中完全回收纤维和矩阵组分，而且还能够生产出高价值的化合物 OTA，为CFRP 的可持续管理和循环利用开辟了新的途径，为碳纤维复合材料的回收利用提供了一个切实可行的解决方案，并推动循环经济的发展。
未来，研究人员计划进一步提高这种特殊真菌的效率，以满足工业化规模的需求。相信随着技术的成熟，相关应用带来的环保效益和经济效益将不断提升，回收碳纤维的市场规模会进一步扩大，并推动相关行业高质量发展。
参考文献：
1.https://www.eurekalert.org/news-releases/1067759
2.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c10838
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来源：生辉SciPhi