可拆解、可循環(huán)利用的環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料

據(jù)報(bào)道，中物院化材所陳茂課題組基于高含量的動(dòng)態(tài)芳香二硫鍵開(kāi)發(fā)了力學(xué)性能優(yōu)異、高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、無(wú)需催化劑且修復(fù)拆解更高效的環(huán)氧vitrimer材料，并基于該環(huán)氧vitrimer 制備了高性能且可拆解和可循環(huán)利用的環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料。研究者通過(guò)采用均含有芳香二硫鍵的環(huán)氧單體和胺類(lèi)固化劑，設(shè)計(jì)制備了高強(qiáng)度、自修復(fù)且可拆解的環(huán)氧，其Tg 高達(dá)147℃，模量E'在100℃下仍然高于1GPa，且具有優(yōu)異的高溫耐溶劑（200℃，2h）。

該環(huán)氧材料具有三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、較高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和優(yōu)異的力學(xué)性能，通過(guò)動(dòng)態(tài)芳香二硫鍵的交換反應(yīng)，該環(huán)氧能夠通過(guò)交聯(lián)點(diǎn)的交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重組，從而釋放應(yīng)變應(yīng)力。該環(huán)氧在160℃以上即可完全釋放應(yīng)力，其鏈段運(yùn)動(dòng)的活化能Ea 約為186kJ/mol。此外，與低含量二硫鍵的環(huán)氧對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比，該環(huán)氧vitrimer 具有更快的應(yīng)力松弛行為，能夠在更短的時(shí)間內(nèi)釋放形變應(yīng)力。同時(shí)，膨脹實(shí)驗(yàn)表明，該環(huán)氧vitrimer 能夠在更低的溫度下再加工成型，其最低再加工成型溫度低至171℃，相比對(duì)照組降低了20℃。

研究者通過(guò)熱壓成型對(duì)破損之后的環(huán)氧vitrimer 進(jìn)行了再加工成型研究。180℃下1h 之內(nèi)環(huán)氧vitrimer 碎片能夠通過(guò)熱壓再加工成型，拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，再加工成型前后環(huán)氧vitrimer的力學(xué)性能均保持在70MPa 左右，熱壓成型后材料性能仍然能夠恢復(fù)到初始水平。除了通過(guò)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中芳香二硫鍵之間的可逆交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)環(huán)氧vitrimer的修復(fù)、再加工成型和應(yīng)力釋放之外，借助于芳香二硫鍵與外部巰基的交換反應(yīng)，該環(huán)氧vitrimer 能夠在特定溶劑中實(shí)現(xiàn)選擇性拆解。在二硫蘇糖醇（DTT）的稀溶液中，環(huán)氧vitrimer 能夠快速實(shí)現(xiàn)拆解，而且其拆解速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于對(duì)照組環(huán)氧。

當(dāng)將該環(huán)氧vitrimer 與碳纖維進(jìn)行復(fù)合之后，借助環(huán)氧基體在特定溶液中的選擇性可拆解，該環(huán)氧基碳纖維復(fù)合材料具有快速可拆解和可循環(huán)利用的特性。通過(guò)將環(huán)氧vitrimer 與碳纖維布復(fù)合，得到的環(huán)氧基碳纖維復(fù)材能夠在DTT 稀溶液中快速拆解，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料中高附加值碳纖維材料的回收再利用。通過(guò)掃描電子顯微鏡和拉曼光譜等手段對(duì)拆解前后的碳纖維進(jìn)行表征，結(jié)果表明拆解后的碳纖維表面無(wú)環(huán)氧樹(shù)脂殘留。當(dāng)將回收的碳纖維再次用于制備復(fù)合材料時(shí)，環(huán)氧基碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)性能仍然保持著較高的水平，有望繼續(xù)作為結(jié)構(gòu)件使用。