动态共价网络聚合物（Vitrimers）的行业应用：从风电到氢能的专项技术突破
风电领域：规模化生产适用于超大叶片的循环树脂
真空辅助树脂传递模塑(VARTM)等灌注工艺是风力涡轮机叶片制造中应用最广泛的技术，其具备规模化生产优势，成本可控，能制造出孔隙率低、结构完整性好的大型部件。该工艺对树脂提出了严格要求：低粘度与长适用期以确保纤维完全浸润；可控固化过程以最大限度减少收缩和内应力；在数百万次载荷循环下保持长期耐久性；同时需具备高抗疲劳性、机械强度、断裂韧性和强纤维粘合性，以及抗紫外线、防潮和耐海洋环境侵蚀的稳定性。
环氧树脂传统上能够满足这些要求，兼具工艺适应性和机械性能优势。其低粘度便于纤维浸润、固化行为可控且环境稳定性强，使其成为大型高性能叶片的首选树脂。然而，环氧树脂的生产和处置过程引发了环境与生命周期末端处理方面的担忧。尽管市场对可回收体系的需求持续增长，但如何在不损失性能的前提下将其整合到灌注工艺中，仍是行业面临的核心挑战。
CIDETEC 的 3R 环氧动态共价网络聚合物通过在保持高性能的同时减少废弃物、支持循环经济，显著提升了热固性复合材料的可持续性，尤其适用于风电等行业。
在此背景下，CIDETEC 的 3R 技术已应用于欧洲 CARBO4POWER 项目(资助协议号：953192)，该项目旨在开发新一代轻量化、高强度、多功能、数字化的多材料，用于海上转子叶片（风力涡轮机叶片 WTB 和潮汐涡轮机叶片 TTB）。项目团队专门研发了一款 3R 环氧动态共价网络聚合物配方，以满足制造商对大型验证原型件灌注工艺的关键要求，核心挑战包括在灌注温度下实现低粘度，以及确保足够长的适用期以完成灌注过程。该 3R 配方的性能与现有树脂体系相当，同时新增了可回收性和可修复性优势。
此外，通过调整粘度、固化周期和其他参数，3R 配方已适配长效预浸料的生产。随后，西班牙 Aimen 技术中心将这些预浸料切割成带材，采用自动纤维铺放(AFP)工艺制造风力涡轮机叶片的主梁帽。
图 1. 由 IRT Jules Verne 研究所制造的 3R 潮汐涡轮机叶片（TTB）与由 Aimen 技术中心制造的风力涡轮机叶片（WTB）
这些技术突破促成了两款原型件的成功生产：
由法国 IRT Jules Verne 研究所采用 3R 树脂和碳纤维（CF）增强材料，通过灌注工艺制造的 4 米长潮汐涡轮机叶片（TTB），重量 450 千克（图 1 ）；
由 Aimen 技术中心采用 3R 树脂和玻璃纤维（GF）增强材料，通过灌注工艺制造的 5.2 米长风力涡轮机叶片（WTB），重量 49 千克，其主梁帽采用 3R 长效预浸料带材通过 AFP 工艺制成（图 1 ）。
如果说风电行业要求树脂实现规模化高性能应用，那么汽车行业则将焦点转向成本、速度及与大规模生产线的兼容性。
汽车领域：平衡大规模生产中的成本、速度与可回收性
2023 年全球汽车复合材料市场规模达 98 亿美元，预计到 2033 年将增长至 147 亿美元，年复合增长率（CAGR）为 4.2%。市场增长的驱动力包括：更严格的环境法规、可持续发展需求、对高机械强度与轻量化车身相结合以提高燃油效率和减少排放的需求。然而，复合材料的大规模应用仍受到限制：需在成本和制造效率上与钢材、铝材竞争；需作为 “即插即用” 解决方案整合到现有大规模生产线中；并需为可回收性和生命周期末端（EoL）管理提供明确方案。
CIDETEC 的 3R 环氧动态共价网络聚合物直接应对了这些障碍，满足了该行业最关键的要求（表 1）。
表1:汽车行业复合材料面临的挑战及 3R 环氧动态共价网络聚合物的对应解决方案
过去十年间，CIDETEC 通过多项研究计划显著推进了 3R 环氧动态共价网络聚合物技术。在 ACEFICORE 项目中，CIDETEC 开发了一种高玻璃化转变温度(Tg)、快速固化能力且可回收性优异的动态共价网络聚合物树脂，专门针对压缩树脂传递模塑(C-RTM)工艺设计，助力生产更可持续、高效且智能互联的城市车辆。
CIDETEC 还与现代汽车集团(Hyundai Motor Company)和起亚汽车(KIA)达成战略合作，为下一代自动驾驶电动汽车开发可回收热固性轻量化复合材料。该合作聚焦于大幅降低生命周期影响的材料解决方案，同时支持向轻量化、更可持续和智能互联出行的转型。
与此同时，CIDETEC 目前正致力于将电子元件整合到基于 3R 环氧树脂的可持续复合材料中，融入面向下一代电动和自动驾驶汽车的先进功能与特性。
如果说汽车行业凸显了复合材料大规模应用的挑战，那么储氢领域则带来了全新的考验：极端压力与安全要求。
氢能领域：面向氢能未来的可回收高压储氢罐
氢能凭借其高重量能量密度和使用过程中零碳排放的优势，成为实现脱碳未来的理想能源载体。然而，其极低的体积能量密度带来了显著的储存挑战。通过纤维缠绕工艺生产的 IV 型高压储氢容器提供了切实可行的解决方案：热塑性内衬防止泄漏，碳纤维增强复合材料外壳提供高比强度，满足燃料电池汽车、航空航天或固定式能源系统中轻量化高压储氢的关键需求。该设计有效平衡了安全性、效率和机动性要求。然而，传统热固性基体的高成本、资源消耗和低可回收性，使得这些容器的生产和处置引发了广泛关注。
近年来，CIDETEC 积极参与了多个区域项目（如由巴斯克政府资助的 ECOH2MOV 和 HIMUGI 项目）和欧洲计划（包括 CUBIC 项目，资助协议号：101111996），重点开发适配纤维缠绕技术的定制化 3R 环氧动态共价网络聚合物配方。这些树脂具备 130℃的玻璃化转变温度（Tg）、0.6-0.8 Pa・s 的粘度和超过 7 小时的适用期，满足 IV 型储氢罐严苛的加工和性能要求。验证原型件已证明其能够承受高达 800 巴的压力，同时保持轻量化和可回收性。这些项目的核心亮点在于 IV 型储氢罐的化学回收：动态共价网络聚合物基体可被选择性溶解，且不影响碳纤维 —— 回收后的碳纤维保留其长度和性能，可重新用于复合材料应用。
图 2. 储氢罐回收后获得的再生碳纤维
该方法降低了储氢系统的环境影响，符合行业和法规向循环经济模式转型的趋势。
航空航天领域：适用于高要求结构的高 Tg 树脂
传统高 Tg 热固性树脂仍是该领域的基准材料，具备卓越的机械性能、低固化收缩率和强耐温耐湿性。然而，其应用也面临挑战：生产效率相对较低；维护和修复操作成本高昂且耗时；与金属相比，生命周期末端部件的回收途径仍有限。
CIDETEC 的环氧动态共价网络聚合物可配制出 Tg 高达 170℃（通过动态力学分析 DMA 测量的 Tg 起始温度）的配方，性能几乎与结构复合材料中使用的传统航空级环氧树脂相当，同时支持更快的制造速度、更简便的修复流程以及废料或生命周期末端部件的回收。如前所述，其应用还扩展至长效预浸料，避免了冷链物流的限制以及冷冻储存相关的能源成本。
在欧盟地平线 2020 计划 AIRPOXY 项目(2018-2022，资助协议号：769274)中，CIDETEC 研发了适用于飞机主承力结构的 3R 环氧动态共价网络聚合物，并验证了其在 RTM、SQRTM（自增压树脂传递模塑）和长效预浸料压缩成型等非热压罐工艺中的应用，同时探索了快速简便的修复方法。
图 3. （上图）风扇罩验证原型件 —— 蒙皮与横向加强筋采用 RTM 工艺制造，纵向加强筋采用热成型工艺制造；（下图）前缘验证原型件 —— 两块腹板采用热成型工艺制造，蒙皮采用 SQRTM 工艺制造
AIRPOXY 项目为后续的欧盟地平线欧洲计划奠定了基础：
GENEX 项目(资助协议号：101056822)进一步优化动态共价网络聚合物配方，并在数字孪生框架下研究自动纤维铺放（AFP）工艺；
TOSCA 项目(资助协议号：101191394)和 TORPROPEL 项目（资助协议号：101187800）将范围扩展至更具动态特性的配方，并新增碳纤维和环氧动态共价网络聚合物基体回收的化学回收途径；
这些项目均持续推进修复方法的研究，其中 TOSCA 项目聚焦 AFP 工艺，TORPROPEL 项目首次引入快速纤维束剪切（RTS）技术。
自 2022 年起，CIDETEC 与空客运营公司(Airbus Operations S.L)合作，将 AIRPOXY 动态共价网络聚合物配方适配空客特定工艺。该合作聚焦于开发用于模压成型的航空级长效预浸料，并建立化学回收途径，实现碳纤维和动态共价网络聚合物基体的二次利用。
轨道交通领域也不例外。复合材料必须符合 EN45545 标准，该标准中防火、防烟和防毒（FST）标准与机械性能同等重要。如今，复合材料已广泛应用于内饰和次要结构，但真正的挑战是将其应用于主承力部件，以实现减重和节能。这一转变要求树脂体系不仅要满足严格的机械和 FST 标准，还需采用无卤阻燃剂。当前趋势明确倾向于用更安全的无卤替代品（如氢氧化铝 ATH、聚磷酸铵 APP 或有机磷化合物）替代溴系添加剂。
轨道交通领域：满足 EN45545 防火标准的可回收复合材料
近期进展表明，热固性复合材料已能满足 EN45545 标准，但生命周期末端的可回收性仍是主要缺口，大多数材料最终仍被填埋或焚烧。为解决这一问题，欧盟地平线欧洲计划 SURPASS 项目（资助协议号：101057901）开发了兼具 FST 性能和机械性能要求的 3R 环氧动态共价网络聚合物，同时融入无害阻燃剂。项目目标是提供本质可回收、对用户和环境更安全的结构复合材料。
图 4. 采用可回收 3R 复合材料制备的目标验证原型件，设计符合轨道交通行业的机械性能及防火安全标准
在生命周期末端，最终产品和生产废料均可通过两种主要途径回收：
- 简单粉碎后热成型，制造再生部件；
- 回收 3R 环氧动态共价网络聚合物、纤维增强材料和阻燃剂，用于其他应用场景。
