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新突破!實現碳纖維復材的閉環化學回收

放大字體  縮小字體 發布日期:2023-09-28 13:49:45    瀏覽次數:676    評論:0
導讀

碳纖維增強聚合物基復合材料因其質輕、高強度高模量、尺寸穩定性好等特性,廣泛用于飛機、汽車工業和體育用品等領域。然而,其復

碳纖維增強聚合物基復合材料因其質輕、高強度高模量、尺寸穩定性好等特性,廣泛用于飛機、汽車工業和體育用品等領域。然而,其復雜的多相結構和共價交聯的聚合物基質使得復合材料的回收再生極具挑戰。傳統的物理機械回收和熱化學回收方法不可避免地會破壞聚合物基體并有損碳纖維性能。
       在交聯聚合物基質中引入動態共價鍵,可以使其在特定條件下發生降解,進而分離回收復合材料中的碳纖維。然而,聚合物基質降解后通常得到低聚物的混合物,而非可以用于聚合的純凈單體,限制了復合材料循環再生的途徑。如何實現碳纖維增強聚合物基復合材料的閉環回收,以獲得純凈的單體和碳纖維,仍然是一個難題。

       近日,清華大學徐江飛副研究員等人基于馬來酸叔酰胺鍵的可逆酰胺化學,構筑了具有優異力學性能且可閉環化學回收的碳纖維增強聚合物基復合材料。如圖1所示,研究人員設計合成了線形聚乙烯亞胺作為多官能度仲胺大分子單體,雙官能度馬來酸酐作為交聯劑,利用仲胺和馬來酸酐生成馬來酸叔酰胺鍵的反應構筑了交聯聚合物基質。之后,將聚合物基質與碳纖維布進行復合,制備了碳纖維增強聚合物基復合材料。相關研究成果以“Reversible Amidation Chemistry Enables Closed-Loop Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites to Monomers and Fibers”為題發表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。



圖1. 基于可逆酰胺化反應構筑可閉環回收的碳纖維增強聚合物基復合材料示意圖

研究表明,復合材料表現出優異的力學性能(拉伸強度>450 MPa,楊氏模量>12 GPa),同時具有出色的熱穩定性和耐溶劑性。如圖2所示,將該復合材料置于2 M HCl水溶液中,馬來酸叔酰胺鍵發生可控的斷鍵,交聯聚合物基質可在室溫下1小時內完全解聚;再通過簡便的分離即可以回收得到完整的碳纖維,并以高回收率(>93%)得到聚乙烯亞胺大分子單體和馬來酸酐交聯劑。這一解聚回收條件相對較溫和,分離得到的碳纖維具備和復合前幾乎相同的化學結構和力學性能,兩種單體均具有高純度,它們可以重新用于聚合制備新批次的碳纖維增強聚合物基復合材料,其性能與原批次的復合材料基本保持一致。

圖2. (a)碳纖維增強聚合物基復合材料的閉環化學回收流程;(b)馬來酸酐交聯劑和(c)聚乙烯亞胺大分子單體在聚合前和回收后的核磁譜圖

綜上所述,基于馬來酸叔酰胺鍵的可逆酰胺化學,成功實現了碳纖維增強聚合物基復合材料的閉環化學回收。這一研究為設計構筑可閉環回收的高性能復合材料提供了新的思路,有助于推動聚合物循環經濟的發展(本文來源:Carbontech)

 
 
(文/小編)
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