可拆解、可循环利用的环氧碳纤维复合材料

据报道，中物院化材所陈茂课题组基于高含量的动态芳香二硫键开发了力学性能优异、高玻璃化转变温度（Tg）、无需催化剂且修复拆解更高效的环氧vitrimer材料，并基于该环氧vitrimer 制备了高性能且可拆解和可循环利用的环氧碳纤维复合材料。研究者通过采用均含有芳香二硫键的环氧单体和胺类固化剂，设计制备了高强度、自修复且可拆解的环氧，其Tg 高达147℃，模量E'在100℃下仍然高于1GPa，且具有优异的高温耐溶剂（200℃，2h）。

该环氧材料具有三维交联网络、较高的玻璃化转变温度和优异的力学性能，通过动态芳香二硫键的交换反应，该环氧能够通过交联点的交换反应实现交联网络的重组，从而释放应变应力。该环氧在160℃以上即可完全释放应力，其链段运动的活化能Ea 约为186kJ/mol。此外，与低含量二硫键的环氧对照组进行对比，该环氧vitrimer 具有更快的应力松弛行为，能够在更短的时间内释放形变应力。同时，膨胀实验表明，该环氧vitrimer 能够在更低的温度下再加工成型，其最低再加工成型温度低至171℃，相比对照组降低了20℃。

研究者通过热压成型对破损之后的环氧vitrimer 进行了再加工成型研究。180℃下1h 之内环氧vitrimer 碎片能够通过热压再加工成型，拉伸试验结果表明，再加工成型前后环氧vitrimer的力学性能均保持在70MPa 左右，热压成型后材料性能仍然能够恢复到初始水平。除了通过交联网络中芳香二硫键之间的可逆交换反应实现环氧vitrimer的修复、再加工成型和应力释放之外，借助于芳香二硫键与外部巯基的交换反应，该环氧vitrimer 能够在特定溶剂中实现选择性拆解。在二硫苏糖醇（DTT）的稀溶液中，环氧vitrimer 能够快速实现拆解，而且其拆解速度远远快于对照组环氧。

当将该环氧vitrimer 与碳纤维进行复合之后，借助环氧基体在特定溶液中的选择性可拆解，该环氧基碳纤维复合材料具有快速可拆解和可循环利用的特性。通过将环氧vitrimer 与碳纤维布复合，得到的环氧基碳纤维复材能够在DTT 稀溶液中快速拆解，从而实现碳纤维复合材料中高附加值碳纤维材料的回收再利用。通过扫描电子显微镜和拉曼光谱等手段对拆解前后的碳纤维进行表征，结果表明拆解后的碳纤维表面无环氧树脂残留。当将回收的碳纤维再次用于制备复合材料时，环氧基碳纤维复合材料的各项性能仍然保持着较高的水平，有望继续作为结构件使用。