Nature子刊：多功能完全可回收的碳纤维增强耐热共价热固性先进复合材料

【引言】
连续高性能碳纤维（CF）增强高性能热固性树脂基先进复合材料的特点是比强度高，比刚度大，尺寸稳定性好，可设计性强等，近几十年来已广泛应用于许多高科技领域，包括航天、风电、交通运输等。这种CF增强复合材料（CFRCs）广泛使用的同时，产生了大量的废物，包括它们的切割废料，未使用的预浸料和寿命终止的零件等。人们期望从这些废物中非破坏性地回收CF不仅是因为CF的高成本，而且还因为它们在CFRCs中大量消耗（高达～70vol％）。然而，热固性树脂基体的固有性质，如不可逆的三维交联网络结构，机械强度，热稳定性，耐化学性等，不允许它们轻易地熔融或溶解为热塑性树脂。用燃烧或掩埋的传统机械回收方法处理CFRC废料会以浪费的方式破坏CF。因此，从这些热固性树脂基先进复合材料中有效和非破坏性回收昂贵的CF等有用的原料化学品仍然是一个重要的研究目标。

【成果简介】
近日，来自华南理工大学的袁彦超和Shijing Yan（共同通讯作者）等人设计了一个新的合成方案，制备了一种可回收的CF增强聚六氢三嗪（PHT）树脂基先进复合材料。多重回收实验和表征数据表明，该复合材料表现出与其商业对比物相当的性能，更重要的是，它实现了多次完整的CF回收，并且通过在某些稀酸溶液中温和解聚，几乎全部回收主要原料。在研究者看来，这项研究首次展示了一种可行的和环境友好的制备-回收-再生策略，用于CF增强的先进复合材料的多重CF回收。该成果以“Multiply fully recyclable carbon fibre reinforced heat-resistant covalent thermosetting advanced composites”为题于2017年3月2日在线发表在Nature Communications上。

[致歉：很抱歉，未能找到通讯作者Shijing Yan的确切中文名字，小编表示诚挚的歉意！]

【图文导读】

图1.CF/PHT复合材料的回收和再生过程

使用总共24个原始平纹CF布（20×20cm）准备预处理，并且使用一个新的具有不规则边缘和白色锁定玻璃线的CF布作为复合层压板的最外层以清楚地示踪整个过程。

图2.BAPP-PHT和CF/PHT复合材料的外观和性能

(a)标称尺寸为5cm×5cm×24mm（L×W×H）的BAPP-PHT样品在名片上显示出良好的透明性

(b)BAPP-PHT的抛光横截面

(c)标称尺寸为20cm×20cm×3mm（L×W×H）的一个代表性的交叉层压板

(d)标称尺寸为4cm×6cm×23.7mm（L×W×H）的一个代表性的交叉层压板及其用砂纸磨光的横截面

(e)BAPP-PHT、交叉CF/PHT复合材料、再回收CF、原始CF和ODA-PHT的TGA曲线（用与BAPP-PHT相同的合成条件制备ODA-PHT，相应地调节ODA和PFA的剂量）

(f)BAPP-PHT和交叉层CF/PHT复合材料的DSC结果

在该研究中，通过水催化的顺序加成缩合反应和随后的固化过程，用2,2-双[4-（4-氨基苯氧基）苯基]丙烷（BAPP）和甲醛成功制备PHT树脂，因此表示为BAPP-PHT。之前的相关研究中，曾有研究者使用4,4'-氧基二苯胺（ODA）和多聚甲醛（PFA）成功合成了一种聚六氢三嗪（PHT）的热固性树脂薄膜，记为ODA-PHT。
标尺的数字单位为1厘米。

图3.在室温下解聚和回收BAPP-PHT

(a)树脂在10ml 1M HCl/THF溶液中不同时间段的降解状态

(b)在不同的1M HCl/THF溶液中树脂的第一阶段解聚时间（t₁）和它们相应的H₂O/THF溶液的接触角

(c)BAPP-PHT和CF/PHT复合材料在1M HCl/THF溶液中的解聚动力学曲线（样品尺寸：1cm×1cm×3mm）

(d)BAPP-PHT在1M HCl/THF溶液中不同时间下的解聚产物的¹H NMR谱

(e)BAPP的生成曲线    （M为浓度单位，即mol/L）

图4.在室温下交叉层CF/PHT复合层压板的降解

(a)在10ml 1M HCl/THF溶液中不同时间下的降解过程              (b)不同解聚时间的回收CF的SEM图像（比例尺，20μm）

图5.交叉层CF/PHT复合层压板的多重回收和再生

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

(b)原始和回收CF的单丝拉伸性能和表面元素含量

(c)原始和再生交叉层CF/PHT复合层压板的抗弯强度和短丝束强度

【小结】

该研究的实验结果和表征数据表明，新开发的CF/PHT热固性树脂基先进复合材料不仅具有高性能，而且具有高效和无损的可回收性，可用于CF和原材料的多重回收。研究结果证实，一方面，使用具有稳定和强的共价结构的可降解树脂开发同时具有高性能和良好的可回收性的CFRCs是可行的，另一方面，温和的降解条件有助于实现从CFRCs中多重未损坏地回收CF而不损害它们的性质，并且该方法的关键问题是它们的解聚溶液的润湿性（即接触角）。 总的来说，这项工作给出了针对高复合性能和非破坏性CF回收这一矛盾的实际相关的制备-回收-再生解决方案。

文献链接：Multiply fully recyclable carbon fibre reinforced heat-resistant covalent thermosetting advanced composites（Nat. Commun.，2017，DOI: 10.1038/ncomms14657）

本文由材料人编辑部学术组Dirk整理编译，点我加入材料人编辑部。

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