美國華盛頓州立大學(xué)開發(fā)出可回收碳纖維復(fù)合材料
來源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)
由于熱固性聚合物的永久交聯(lián)結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料既不可回收也不可修復(fù)。由于可以像熱固性塑料一樣堅(jiān)固耐用，又像熱塑性塑料一樣可模壓和可回收，類玻璃高分子vitrimers為熱固性塑料和CFRP的回收提供了令人興奮的機(jī)遇。
從航空航天、汽車工業(yè)到建筑和體育用品制造業(yè)，CFRP復(fù)合材料因其優(yōu)異的力學(xué)性能、減輕的重量和更好的長期耐久性，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大?？焖僭鲩L的CFRP復(fù)合材料市場引起了對這些材料的成本效益廢物管理和處置方法可用性的嚴(yán)重關(guān)注。由于熱固性聚合物基體固有的不均勻性以及增強(qiáng)纖維的存在，CFRP復(fù)合材料的可回收性很差。
復(fù)合材料通常由增強(qiáng)材料（通常是碳纖維或玻璃纖維）和基體相組成，基體相起著粘合整個結(jié)構(gòu)的作用。此外，還可以添加其他可增強(qiáng)復(fù)合材料性能的組分。
在傳統(tǒng)的CFRP復(fù)合材料中，粘合劑（基體）通常是熱固性聚合物如環(huán)氧樹脂。這些材料因其優(yōu)異的耐熱性和耐化學(xué)性而成為******。固化后，熱固性聚合物形成不可逆的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，從而形成剛性而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，從而有助于提高CFPR復(fù)合材料的強(qiáng)度和抵抗力。然而，回收這種材料是極其困難的，另外的困難是需要從嵌入的碳纖維上剝離和分離聚合物。
類玻璃環(huán)氧樹脂為CFRP回收提供可能
美國華盛頓州立大學(xué)（Washington State University，WSU）機(jī)械與材料工程學(xué)院的張金文教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)了一種可回收的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，該材料可直接將傳統(tǒng)的不可回收的CFRP替代進(jìn)入現(xiàn)有的制造工藝。
WSU的研究人員使用了一種全新的基體聚合物材料，稱為環(huán)氧玻璃體，可以更容易地回收利用。玻璃體是指材料的玻璃狀熱行為。在高溫下，材料的粘度會降低，并使應(yīng)力松弛和可延展的機(jī)械性能成為可能。冷卻后，材料類似于彈性熱固性材料（或彈性體）。這使得利用常規(guī)的熱塑性加工技術(shù)如注射成型和壓縮成型等對材料進(jìn)行再加工。
與熱塑性塑料不同，即使在高溫下，玻璃體通過緊密交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)保持穩(wěn)定的分子間連接性。玻璃體由一個共價有機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成，該網(wǎng)絡(luò)可以通過可逆交換反應(yīng)重新排列其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而保持網(wǎng)絡(luò)鍵的總數(shù)（或交聯(lián)密度）及其分子結(jié)構(gòu)。
此次合成的玻璃化環(huán)氧樹脂不需要催化劑進(jìn)行固化反應(yīng)。相反，它依賴于前體豐富的羥基引發(fā)的內(nèi)部催化反應(yīng)，這些羥基作為催化物種促進(jìn)交聯(lián)反應(yīng)和隨后的交換反應(yīng)。與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂材料的永久交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不同，該型聚合物鏈之間的動態(tài)交換反應(yīng)能夠釋放與施加的外部應(yīng)變相關(guān)的內(nèi)部應(yīng)力，同時仍保持交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。因此，在高溫（＞150°C）下，該材料表現(xiàn)出快速的應(yīng)力松弛和出色的自愈特性。
為了證明這種新材料的出色機(jī)械性能，研究人員制備了以三層碳纖維織物和玻璃化環(huán)氧樹脂為基體新型CFRP復(fù)合材料，該CFRP拉伸強(qiáng)度為356 MPa，與傳統(tǒng)CFRP材料相當(dāng)。當(dāng)當(dāng)加熱到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上（>200℃）時，與熱固性CFRP復(fù)合材料不同，該復(fù)合材料具有顯著的變形能力。
可回收的CFRP，有望實(shí)現(xiàn)未來應(yīng)用
更重要的是，復(fù)合材料的玻璃化基體在高于160°C的溫度下（在加壓容器中）的純水中可有效地水解和降解，而無需任何催化劑。由于內(nèi)部叔胺的存在，方便的無催化劑水熱降解發(fā)生，使得交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在高溫下易于水解。水解反應(yīng)產(chǎn)物不溶于水，使得玻璃前驅(qū)體和增強(qiáng)碳纖維易于完全回收和再循環(huán)。
由于降解條件溫和，回收的碳纖維表現(xiàn)出與原始碳纖維相似的拉伸強(qiáng)度。據(jù)介紹，這種新型的玻璃態(tài)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料僅需對既定的制造工藝進(jìn)行微小的改動即可適應(yīng)規(guī)模生產(chǎn)，這將為未來工業(yè)應(yīng)用提供具有優(yōu)異機(jī)械性能的易于回收的CFRP復(fù)合材料，提供了可持續(xù)的解決方案。
