【引言】

    連續高性能碳纖維（CF）增強高性能熱固性樹脂基先進復合材料的特點是比強度高，比剛度大，尺寸穩定性好，可設計性強等，近幾十年來已廣泛應用于許多高科技領域，包括航天、風電、交通運輸等。這種CF增強復合材料（CFRCs）廣泛使用的同時，產生了大量的廢物，包括它們的切割廢料，未使用的預浸料和壽命終止的零件等。人們期望從這些廢物中非破壞性地回收CF不僅是因為CF的高成本，而且還因為它們在CFRCs中大量消耗（高達～70vol％）。然而，熱固性樹脂基體的固有性質，如不可逆的三維交聯網絡結構，機械強度，熱穩定性，耐化學性等，不允許它們輕易地熔融或溶解為熱塑性樹脂。用燃燒或掩埋的傳統機械回收方法處理CFRC廢料會以浪費的方式破壞CF。因此，從這些熱固性樹脂基先進復合材料中有效和非破壞性回收昂貴的CF等有用的原料化學品仍然是一個重要的研究目標。

    【成果簡介】

    近日，來自華南理工大學的袁彥超和Shijing Yan（共同通訊作者）等人設計了一個新的合成方案，制備了一種可回收的CF增強聚六氫三嗪（PHT）樹脂基先進復合材料。多重回收實驗和表征數據表明，該復合材料表現出與其商業對比物相當的性能，更重要的是，它實現了多次完整的CF回收，并且通過在某些稀酸溶液中溫和解聚，幾乎全部回收主要原料。在研究者看來，這項研究首次展示了一種可行的和環境友好的制備-回收-再生策略，用于CF增強的先進復合材料的多重CF回收。該成果以“Multiply fully recyclable carbon fibre reinforced heat-resistant covalent thermosetting advanced composites”為題于2017年3月2日在線發表在Nature Communications上。

    【圖文導讀】

    圖1.CF/PHT復合材料的回收和再生過程

    使用總共24個原始平紋CF布（20×20cm）準備預處理，并且使用一個新的具有不規則邊緣和白色鎖定玻璃線的CF布作為復合層壓板的最外層以清楚地示蹤整個過程。

    圖2.BAPP-PHT和CF/PHT復合材料的外觀和性能

    （a）標稱尺寸為5cm×5cm×24mm（L×W×H）的BAPP-PHT樣品在名片上顯示出良好的透明性

    （b）BAPP-PHT的拋光橫截面

    （c）標稱尺寸為20cm×20cm×3mm（L×W×H）的一個代表性的交叉層壓板

    （d）標稱尺寸為4cm×6cm×23.7mm（L×W×H）的一個代表性的交叉層壓板及其用砂紙磨光的橫截面

    （e）BAPP-PHT、交叉CF/PHT復合材料、再回收CF、原始CF和ODA-PHT的TGA曲線（用與BAPP-PHT相同的合成條件制備ODA-PHT，相應地調節ODA和PFA的劑量）

    （f）BAPP-PHT和交叉層CF/PHT復合材料的DSC結果

    在該研究中，通過水催化的順序加成縮合反應和隨后的固化過程，用2,2-雙[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷（BAPP）和甲醛成功制備PHT樹脂，因此表示為BAPP-PHT。之前的相關研究中，曾有研究者使用4,4'-氧基二苯胺（ODA）和多聚甲醛（PFA）成功合成了一種聚六氫三嗪（PHT）的熱固性樹脂薄膜，記為ODA-PHT。

    標尺的數字單位為1厘米。

    圖3.在室溫下解聚和回收BAPP-PHT

    （a）樹脂在10ml 1M HCl/THF溶液中不同時間段的降解狀態

    （b）在不同的1M HCl/THF溶液中樹脂的第一階段解聚時間（t1）和它們相應的H2O/THF溶液的接觸角

    （c）BAPP-PHT和CF/PHT復合材料在1M HCl/THF溶液中的解聚動力學曲線（樣品尺寸：1cm×1cm×3mm）

    （d）BAPP-PHT在1M HCl/THF溶液中不同時間下的解聚產物的1H NMR譜

    （e）BAPP的生成曲線    （M為濃度單位，即mol/L）

    圖4.在室溫下交叉層CF/PHT復合層壓板的降解

    （a）在10ml 1M HCl/THF溶液中不同時間下的降解過程              （b）不同解聚時間的回收CF的SEM圖像（比例尺，20μm）

    圖5.交叉層CF/PHT復合層壓板的多重回收和再生

    （a）原始和回收CF的照片和SEM圖像（第二和第三行SEM圖像的比例尺分別為2mm和20μm）

    （b）原始和回收CF的單絲拉伸性能和表面元素含量

    （c）原始和再生交叉層CF/PHT復合層壓板的抗彎強度和短絲束強度

    【小結】

    該研究的實驗結果和表征數據表明，新開發的CF/PHT熱固性樹脂基先進復合材料不僅具有高性能，而且具有高效和無損的可回收性，可用于CF和原材料的多重回收。研究結果證實，一方面，使用具有穩定和強的共價結構的可降解樹脂開發同時具有高性能和良好的可回收性的CFRCs是可行的，另一方面，溫和的降解條件有助于實現從CFRCs中多重未損壞地回收CF而不損害它們的性質，并且該方法的關鍵問題是它們的解聚溶液的潤濕性（即接觸角）。 總的來說，這項工作給出了針對高復合性能和非破壞性CF回收這一矛盾的實際相關的制備-回收-再生解決方案。

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責任編輯：劉洋

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