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可逆酰胺化学实现碳纤维增强聚合物基复合材料的闭环化学回收

碳纤维增强聚合物基复合材料因其质轻、高强度高模量、尺寸稳定性好等特性,广泛用于飞机、汽车工业和体育用品等领域。然而,其复杂的多相结构和共价交联的聚合物基质使得复合材料的回收再生极具挑战。传统的物理机械回收和热化学回收方法不可避免地会破坏聚合物基体并有损碳纤维性能。在交联聚合物基质中引入动态共价键,可以使其在特定条件下发生降解,进而分离回收复合材料中的碳纤维。然而,聚合物基质降解后通常得到低聚物的混合物,而非可以用于聚合的纯净单体,限制了复合材料循环再生的途径。如何实现碳纤维增强聚合物基复合材料的闭环回收,以获得纯净的单体和碳纤维,仍然是一个难题。

图1. 基于可逆酰胺化反应构筑可闭环回收的碳纤维增强聚合物基复合材料示意图


近日,清华大学徐江飞副研究员(点击查看介绍)等人基于马来酸叔酰胺键的可逆酰胺化学,构筑了具有优异力学性能且可闭环化学回收的碳纤维增强聚合物基复合材料。如图1所示,研究人员设计合成了线形聚乙烯亚胺作为多官能度仲胺大分子单体,双官能度马来酸酐作为交联剂,利用仲胺和马来酸酐生成马来酸叔酰胺键的反应构筑了交联聚合物基质。之后,将聚合物基质与碳纤维布进行复合,制备了碳纤维增强聚合物基复合材料。研究表明,复合材料表现出优异的力学性能(拉伸强度>450 MPa,杨氏模量>12 GPa),同时具有出色的热稳定性和耐溶剂性。如图2所示,将该复合材料置于2 M HCl水溶液中,马来酸叔酰胺键发生可控的断键,交联聚合物基质可在室温下1小时内完全解聚;再通过简便的分离即可以回收得到完整的碳纤维,并以高回收率(>93%)得到聚乙烯亚胺大分子单体和马来酸酐交联剂。这一解聚回收条件相对较温和,分离得到的碳纤维具备和复合前几乎相同的化学结构和力学性能,两种单体均具有高纯度,它们可以重新用于聚合制备新批次的碳纤维增强聚合物基复合材料,其性能与原批次的复合材料基本保持一致。

图2. (a)碳纤维增强聚合物基复合材料的闭环化学回收流程;(b)马来酸酐交联剂和(c)聚乙烯亚胺大分子单体在聚合前和回收后的核磁谱图


综上所述,基于马来酸叔酰胺键的可逆酰胺化学,成功实现了碳纤维增强聚合物基复合材料的闭环化学回收。这一研究为设计构筑可闭环回收的高性能复合材料提供了新的思路,有助于推动聚合物循环经济的发展。


相关论文发表于Angew. Chem. Int. Ed.,文章的第一作者为秦博博士,通讯作者为徐江飞副研究员。研究工作得到了张希教授的悉心指导。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Reversible Amidation Chemistry Enables Closed-Loop Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites to Monomers and Fibers

Bo Qin, Siyuan Liu, Jiang-Fei Xu*

Angew. Chem. Int. Ed.2023, DOI: 10.1002/anie.202311856


导师介绍

徐江飞

https://www.x-mol.com/university/faculty/60340 


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