环氧基碳纤维增强复合材料(EP-CFRCs)凭借其卓越的比强度、模量及耐化学性,已成为航空航天、汽车制造与新能源领域的核心材料。 然而,传统环氧树脂面临两大世纪难题:高度交联网络导致的固有脆性使材料抗冲击性能薄弱,而永久共价键结构则使复合材料难以回收。每年数百万吨废弃EP-CFRCs被迫焚烧或填埋,引发严峻的环境与资源危机。
北京化工大学胡君教授团队提出颠覆性解决方案:通过动态酯键与半互穿网络(SIPN)的协同设计,成功制备革命性环氧树脂DAS-S(图1)。 该材料以4,5-环氧环己烷-1,2-二甲酸二缩水甘油酯(DGEAC)、4-氨基苯甲酸(4-ABA)及癸二酸(SA)交联形成刚性骨架(DAS-2树脂),再通过浸渍丙烯酸/氯化胆碱低共熔溶剂(DES)并热聚合为聚低共熔溶剂(PDES),构筑氢键增强的SIPN结构。其中动态酯键在嵌入叔胺催化下赋予材料可逆酯交换能力,为绿色回收奠定基础。
性能表征揭示DAS-S实现历史性突破。通过优化DGEAC/4-ABA/SA配比,基础树脂DAS-2已具备114 MPa拉伸强度与167°C玻璃化转变温度(Tg)。而SIPN结构使DAS-S拉伸强度跃升至123 MPa,冲击强度达52.3 kJ·m⁻²(较DAS-2提升588%),创环氧树脂纪录。 扫描电镜显示其冲击断面呈现密集涡旋裂纹与显著偏转特征,有限元分析证实SIPN有效分散应力(图3f,g)。同时材料保持171°C高Tg与330°C热稳定性,综合性能超越商用环氧体系。
闭环回收体系彰显可持续价值。DAS-S在200℃纯水中6小时即可完全降解,叔胺催化水解机制经HPLC-MS验证生成含活性基团的五种小分子化合物。以其为基体的碳纤维复合材料(CF/DAS-S)同样实现全回收:材料展现718 MPa拉伸强度与73 MPa层间剪切强度的同时,水降解后可回收结构完整的碳纤维——单丝强度保留率达96%(2.11 vs 2.19 GPa),拉曼ID/IG值与原始纤维一致。降解产物作为粘合剂应用于铝基材时,粘结强度达1.1 MPa,优于商业产品。
该研究通过SIPN结构与动态化学键的精准耦合,同步攻克环氧树脂强度-韧性矛盾与不可回收难题。DAS-S树脂及其复合材料兼具破纪录力学性能与100%资源化循环能力,为高端装备领域提供了可持续材料新范式。
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