動態共價網絡聚合物（Vitrimers）的行業應用：從風電到氫能的專項技術突破
風電領域：規模化生產適用于超大葉片的循環樹脂
真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM)等灌注工藝是風力渦輪機葉片制造中應用最廣泛的技術，其具備規?；a優勢，成本可控，能制造出孔隙率低、結構完整性好的大型部件。該工藝對樹脂提出了嚴格要求：低粘度與長適用期以確保纖維完全浸潤；可控固化過程以最大限度減少收縮和內應力；在數百萬次載荷循環下保持長期耐久性；同時需具備高抗疲勞性、機械強度、斷裂韌性和強纖維粘合性，以及抗紫外線、防潮和耐海洋環境侵蝕的穩定性。
環氧樹脂傳統上能夠滿足這些要求，兼具工藝適應性和機械性能優勢。其低粘度便于纖維浸潤、固化行為可控且環境穩定性強，使其成為大型高性能葉片的首選樹脂。然而，環氧樹脂的生產和處置過程引發了環境與生命周期末端處理方面的擔憂。盡管市場對可回收體系的需求持續增長，但如何在不損失性能的前提下將其整合到灌注工藝中，仍是行業面臨的核心挑戰。
CIDETEC 的 3R 環氧動態共價網絡聚合物通過在保持高性能的同時減少廢棄物、支持循環經濟，顯著提升了熱固性復合材料的可持續性，尤其適用于風電等行業。
在此背景下，CIDETEC 的 3R 技術已應用于歐洲 CARBO4POWER 項目(資助協議號：953192)，該項目旨在開發新一代輕量化、高強度、多功能、數字化的多材料，用于海上轉子葉片（風力渦輪機葉片 WTB 和潮汐渦輪機葉片 TTB）。項目團隊專門研發了一款 3R 環氧動態共價網絡聚合物配方，以滿足制造商對大型驗證原型件灌注工藝的關鍵要求，核心挑戰包括在灌注溫度下實現低粘度，以及確保足夠長的適用期以完成灌注過程。該 3R 配方的性能與現有樹脂體系相當，同時新增了可回收性和可修復性優勢。
此外，通過調整粘度、固化周期和其他參數，3R 配方已適配長效預浸料的生產。隨后，西班牙 Aimen 技術中心將這些預浸料切割成帶材，采用自動纖維鋪放(AFP)工藝制造風力渦輪機葉片的主梁帽。
圖 1. 由 IRT Jules Verne 研究所制造的 3R 潮汐渦輪機葉片（TTB）與由 Aimen 技術中心制造的風力渦輪機葉片（WTB）
這些技術突破促成了兩款原型件的成功生產：
由法國 IRT Jules Verne 研究所采用 3R 樹脂和碳纖維（CF）增強材料，通過灌注工藝制造的 4 米長潮汐渦輪機葉片（TTB），重量 450 千克（圖 1 ）；
由 Aimen 技術中心采用 3R 樹脂和玻璃纖維（GF）增強材料，通過灌注工藝制造的 5.2 米長風力渦輪機葉片（WTB），重量 49 千克，其主梁帽采用 3R 長效預浸料帶材通過 AFP 工藝制成（圖 1 ）。
如果說風電行業要求樹脂實現規模化高性能應用，那么汽車行業則將焦點轉向成本、速度及與大規模生產線的兼容性。
汽車領域：平衡大規模生產中的成本、速度與可回收性
2023 年全球汽車復合材料市場規模達 98 億美元，預計到 2033 年將增長至 147 億美元，年復合增長率（CAGR）為 4.2%。市場增長的驅動力包括：更嚴格的環境法規、可持續發展需求、對高機械強度與輕量化車身相結合以提高燃油效率和減少排放的需求。然而，復合材料的大規模應用仍受到限制：需在成本和制造效率上與鋼材、鋁材競爭；需作為 “即插即用” 解決方案整合到現有大規模生產線中；并需為可回收性和生命周期末端（EoL）管理提供明確方案。
CIDETEC 的 3R 環氧動態共價網絡聚合物直接應對了這些障礙，滿足了該行業最關鍵的要求（表 1）。
表1:汽車行業復合材料面臨的挑戰及 3R 環氧動態共價網絡聚合物的對應解決方案
過去十年間，CIDETEC 通過多項研究計劃顯著推進了 3R 環氧動態共價網絡聚合物技術。在 ACEFICORE 項目中，CIDETEC 開發了一種高玻璃化轉變溫度(Tg)、快速固化能力且可回收性優異的動態共價網絡聚合物樹脂，專門針對壓縮樹脂傳遞模塑(C-RTM)工藝設計，助力生產更可持續、高效且智能互聯的城市車輛。
CIDETEC 還與現代汽車集團(Hyundai Motor Company)和起亞汽車(KIA)達成戰略合作，為下一代自動駕駛電動汽車開發可回收熱固性輕量化復合材料。該合作聚焦于大幅降低生命周期影響的材料解決方案，同時支持向輕量化、更可持續和智能互聯出行的轉型。
與此同時，CIDETEC 目前正致力于將電子元件整合到基于 3R 環氧樹脂的可持續復合材料中，融入面向下一代電動和自動駕駛汽車的先進功能與特性。
如果說汽車行業凸顯了復合材料大規模應用的挑戰，那么儲氫領域則帶來了全新的考驗：極端壓力與安全要求。
氫能領域：面向氫能未來的可回收高壓儲氫罐
氫能憑借其高重量能量密度和使用過程中零碳排放的優勢，成為實現脫碳未來的理想能源載體。然而，其極低的體積能量密度帶來了顯著的儲存挑戰。通過纖維纏繞工藝生產的 IV 型高壓儲氫容器提供了切實可行的解決方案：熱塑性內襯防止泄漏，碳纖維增強復合材料外殼提供高比強度，滿足燃料電池汽車、航空航天或固定式能源系統中輕量化高壓儲氫的關鍵需求。該設計有效平衡了安全性、效率和機動性要求。然而，傳統熱固性基體的高成本、資源消耗和低可回收性，使得這些容器的生產和處置引發了廣泛關注。
近年來，CIDETEC 積極參與了多個區域項目（如由巴斯克政府資助的 ECOH2MOV 和 HIMUGI 項目）和歐洲計劃（包括 CUBIC 項目，資助協議號：101111996），重點開發適配纖維纏繞技術的定制化 3R 環氧動態共價網絡聚合物配方。這些樹脂具備 130℃的玻璃化轉變溫度（Tg）、0.6-0.8 Pa?s 的粘度和超過 7 小時的適用期，滿足 IV 型儲氫罐嚴苛的加工和性能要求。驗證原型件已證明其能夠承受高達 800 巴的壓力，同時保持輕量化和可回收性。這些項目的核心亮點在于 IV 型儲氫罐的化學回收：動態共價網絡聚合物基體可被選擇性溶解，且不影響碳纖維 —— 回收后的碳纖維保留其長度和性能，可重新用于復合材料應用。
圖 2. 儲氫罐回收后獲得的再生碳纖維
該方法降低了儲氫系統的環境影響，符合行業和法規向循環經濟模式轉型的趨勢。
航空航天領域：適用于高要求結構的高 Tg 樹脂
傳統高 Tg 熱固性樹脂仍是該領域的基準材料，具備卓越的機械性能、低固化收縮率和強耐溫耐濕性。然而，其應用也面臨挑戰：生產效率相對較低；維護和修復操作成本高昂且耗時；與金屬相比，生命周期末端部件的回收途徑仍有限。
CIDETEC 的環氧動態共價網絡聚合物可配制出 Tg 高達 170℃（通過動態力學分析 DMA 測量的 Tg 起始溫度）的配方，性能幾乎與結構復合材料中使用的傳統航空級環氧樹脂相當，同時支持更快的制造速度、更簡便的修復流程以及廢料或生命周期末端部件的回收。如前所述，其應用還擴展至長效預浸料，避免了冷鏈物流的限制以及冷凍儲存相關的能源成本。
在歐盟地平線 2020 計劃 AIRPOXY 項目(2018-2022，資助協議號：769274)中，CIDETEC 研發了適用于飛機主承力結構的 3R 環氧動態共價網絡聚合物，并驗證了其在 RTM、SQRTM（自增壓樹脂傳遞模塑）和長效預浸料壓縮成型等非熱壓罐工藝中的應用，同時探索了快速簡便的修復方法。
圖 3. （上圖）風扇罩驗證原型件 —— 蒙皮與橫向加強筋采用 RTM 工藝制造，縱向加強筋采用熱成型工藝制造；（下圖）前緣驗證原型件 —— 兩塊腹板采用熱成型工藝制造，蒙皮采用 SQRTM 工藝制造
AIRPOXY 項目為后續的歐盟地平線歐洲計劃奠定了基礎：
GENEX 項目(資助協議號：101056822)進一步優化動態共價網絡聚合物配方，并在數字孿生框架下研究自動纖維鋪放（AFP）工藝；
TOSCA 項目(資助協議號：101191394)和 TORPROPEL 項目（資助協議號：101187800）將范圍擴展至更具動態特性的配方，并新增碳纖維和環氧動態共價網絡聚合物基體回收的化學回收途徑；
這些項目均持續推進修復方法的研究，其中 TOSCA 項目聚焦 AFP 工藝，TORPROPEL 項目首次引入快速纖維束剪切（RTS）技術。
自 2022 年起，CIDETEC 與空客運營公司(Airbus Operations S.L)合作，將 AIRPOXY 動態共價網絡聚合物配方適配空客特定工藝。該合作聚焦于開發用于模壓成型的航空級長效預浸料，并建立化學回收途徑，實現碳纖維和動態共價網絡聚合物基體的二次利用。
軌道交通領域也不例外。復合材料必須符合 EN45545 標準，該標準中防火、防煙和防毒（FST）標準與機械性能同等重要。如今，復合材料已廣泛應用于內飾和次要結構，但真正的挑戰是將其應用于主承力部件，以實現減重和節能。這一轉變要求樹脂體系不僅要滿足嚴格的機械和 FST 標準，還需采用無鹵阻燃劑。當前趨勢明確傾向于用更安全的無鹵替代品（如氫氧化鋁 ATH、聚磷酸銨 APP 或有機磷化合物）替代溴系添加劑。
軌道交通領域：滿足 EN45545 防火標準的可回收復合材料
近期進展表明，熱固性復合材料已能滿足 EN45545 標準，但生命周期末端的可回收性仍是主要缺口，大多數材料最終仍被填埋或焚燒。為解決這一問題，歐盟地平線歐洲計劃 SURPASS 項目（資助協議號：101057901）開發了兼具 FST 性能和機械性能要求的 3R 環氧動態共價網絡聚合物，同時融入無害阻燃劑。項目目標是提供本質可回收、對用戶和環境更安全的結構復合材料。
圖 4. 采用可回收 3R 復合材料制備的目標驗證原型件，設計符合軌道交通行業的機械性能及防火安全標準
在生命周期末端，最終產品和生產廢料均可通過兩種主要途徑回收：
- 簡單粉碎后熱成型，制造再生部件；
- 回收 3R 環氧動態共價網絡聚合物、纖維增強材料和阻燃劑，用于其他應用場景。
