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(chǎng)引起了對(duì)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(gè)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(huì)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(duì)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(gè)共價(jià)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(duì)既定的制造工藝進(jìn)行微小的改動(dòng)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。
