美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）设计出闭环路径，可用于合成极其坚韧的碳纤维增强聚合物（CFRP），并随后回收其所有原材料。 CFRP作为一种轻质、坚固且坚韧的复合材料，可用于减轻汽车、飞机和航天器的重量并提高燃油效率。然而，传统的CFRP很难回收，大多数都是一次性材料，因此碳足迹显著。相比之下，ORNL的闭环技术（发表在期刊《Cell Reports Physical Science》上），可以应对上述挑战。 “我们将动态交联融入商品聚合物中，使其功能化。然后添加交联剂，使其像热固性材料一样。”ORNL化学家兼发明家Md Anisur Rahman说道,“动态交联使我们能够打破化学键并重新加工或回收碳纤维复合材料。” 传统的热固性材料是永久交联的。一旦合成、固化、模塑并定形，就无法再加工。然而，ORNL将动态化学基团添加到聚合物基体及其嵌入的碳纤维中， 聚合物基体和碳纤维可以经历多次再加工循环，而不会损失如强度和韧性等机械性能。 Rahman与ORNL化学家Tomonori Saito一起领导这项研究，此外Rahman和ORNL博士后研究员Menisha Karunarathna Koralalage进行了大部分实验。三人已为这项创新申请了专利。 “我们发明了一种坚韧且可回收的碳纤维复合材料。由于动态键的存在，纤维和聚合物具有非常强的界面粘附力。通过共价相互作用将材料‘锁定’在一起，并根据需要使用热量或化学方法解锁它们。”Saito补充说，“功能化纤维与这种聚合物具有动态可交换的交联。由于界面特性，复合材料结构非常坚韧。当使用频哪醇（Pinacol）这种特殊醇取代交联剂的共价键时，ORNL材料中的聚合物、碳纤维和交联剂成分可以被释放以进行回收。实验室规模的闭环回收不会造成原料损失，我们几乎100%回收了所有原材料。” 未来，随着循环轻质材料被纳入清洁能源技术，ORNL的闭环回收技术可能会改变低碳制造。 研究人员从大自然中汲取灵感，大自然采用动态界面来创造坚固的材料。珍珠层是海洋贻贝和其他软体动物贝壳内的彩虹色珍珠母，非常坚韧：它可以变形而不会破裂。此外，海贻贝会强烈地粘附在表面，但在必要时会耗散能量以释放。研究人员旨在优化碳纤维和聚合物基体之间的界面化学，以提高界面附着力并增强CFRP韧性。“我们合成的复合材料的强度几乎是传统环氧树脂复合材料的两倍，拉伸强度是同类纤维增强复合材料中最高的。”Rahman说，“其他机械性能也非常好。” ORNL材料与没有动态键的聚合物相比，纤维界面和聚合物之间的动态共价键具有43%的界面附着力。动态共价键可实现闭环回收。在传统的基体材料中，碳纤维很难与聚合物分离。ORNL的化学方法在功能位点‘夹’住纤维，使得将纤维从聚合物中分离出来以供再利用成为可能。 研究人员对一种名为S-Bpin的商品聚合物进行了改性。他们创造出一种含有硼酸酯基团的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段（SEBS）共聚物，这些基团与交联剂和碳纤维共价键合，让CFRP变得更坚韧。对CFRP进行拉伸性能测试、流变学数据解读、层间剪切强度分析和扫描电子显微镜显示，碳纤维在回收后仍保持其原有质量和性能，通过X射线光电子能谱证实了哪些分子附着在纤维表面。 研究人员发现，动态交联的程度很重要。“我们发现5%的交联比50%的交联效果更好。” Rahman说，“如果我们增加交联剂的用量，它就会开始使聚合物变脆。这是因为我们的交联剂具有三个类似‘抓手’的结构，能够建立更多的连接并降低聚合物的柔韧性。” 接下来，研究团队希望对玻璃纤维复合材料进行类似的研究，玻璃纤维复合材料可以在保持高性能的同时降低航空航天、汽车、海洋、体育、建筑和工程应用的成本和碳足迹。他们还希望降低新技术的成本，以拓展更多应用领域，优化商业前景。 美国能源部能源效率和可再生能源办公室的车辆技术办公室赞助了这项研究。 ------------------------------- 深圳国际复材展参观预登记 请扫描或长按下方二维码 声明：本部分文章和图片来源于网络，发布的文章仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑义，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。