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03-022021

美国华盛顿州立大学开发出可回收碳纤维复合材料

来源:碳纤维及其复合材料技术

由于热固性聚合物的永久交联结构,传统的碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料既不可回收也不可修复。由于可以像热固性塑料一样坚固耐用,又像热塑性塑料一样可模压和可回收,类玻璃高分子vitrimers为热固性塑料和CFRP的回收提供了令人兴奋的机遇。

从航空航天、汽车工业到建筑和体育用品制造业,CFRP复合材料因其优异的力学性能、减轻的重量和更好的长期耐久性,应用范围不断扩大。快速增长的CFRP复合材料市场引起了对这些材料的成本效益废物管理和处置方法可用性的严重关注。由于热固性聚合物基体固有的不均匀性以及增强纤维的存在,CFRP复合材料的可回收性很差。

复合材料通常由增强材料(通常是碳纤维或玻璃纤维)和基体相组成,基体相起着粘合整个结构的作用。此外,还可以添加其他可增强复合材料性能的组分。

在传统的CFRP复合材料中,粘合剂(基体)通常是热固性聚合物如环氧树脂。这些材料因其优异的耐热性和耐化学性而成为首选。固化后,热固性聚合物形成不可逆的交联网络,从而形成刚性而坚固的结构,从而有助于提高CFPR复合材料的强度和抵抗力。然而,回收这种材料是极其困难的,另外的困难是需要从嵌入的碳纤维上剥离和分离聚合物。

类玻璃环氧树脂为CFRP回收提供可能

美国华盛顿州立大学(Washington State University,WSU)机械与材料工程学院的张金文教授领导的研究小组开发了一种可回收的碳纤维增强复合材料,该材料可直接将传统的不可回收的CFRP替代进入现有的制造工艺。

WSU的研究人员使用了一种全新的基体聚合物材料,称为环氧玻璃体,可以更容易地回收利用。玻璃体是指材料的玻璃状热行为。在高温下,材料的粘度会降低,并使应力松弛和可延展的机械性能成为可能。冷却后,材料类似于弹性热固性材料(或弹性体)。这使得利用常规的热塑性加工技术如注射成型和压缩成型等对材料进行再加工。

与热塑性塑料不同,即使在高温下,玻璃体通过紧密交联网络保持稳定的分子间连接性。玻璃体由一个共价有机网络组成,该网络可以通过可逆交换反应重新排列其拓扑结构,从而保持网络键的总数(或交联密度)及其分子结构。

此次合成的玻璃化环氧树脂不需要催化剂进行固化反应。相反,它依赖于前体丰富的羟基引发的内部催化反应,这些羟基作为催化物种促进交联反应和随后的交换反应。与传统的环氧树脂材料的永久交联网络不同,该型聚合物链之间的动态交换反应能够释放与施加的外部应变相关的内部应力,同时仍保持交联的网络。因此,在高温(>150°C)下,该材料表现出快速的应力松弛和出色的自愈特性。

为了证明这种新材料的出色机械性能,研究人员制备了以三层碳纤维织物和玻璃化环氧树脂为基体新型CFRP复合材料,该CFRP拉伸强度为356 MPa,与传统CFRP材料相当。当当加热到玻璃化转变温度以上(>200℃)时,与热固性CFRP复合材料不同,该复合材料具有显着的变形能力。

可回收的CFRP,有望实现未来应用

更重要的是,复合材料的玻璃化基体在高于160°C的温度下(在加压容器中)的纯水中可有效地水解和降解,而无需任何催化剂。由于内部叔胺的存在,方便的无催化剂水热降解发生,使得交联网络在高温下易于水解。水解反应产物不溶于水,使得玻璃前驱体和增强碳纤维易于完全回收和再循环。

由于降解条件温和,回收的碳纤维表现出与原始碳纤维相似的拉伸强度。据介绍,这种新型的玻璃态环氧树脂复合材料仅需对既定的制造工艺进行微小的改动即可适应规模生产,这将为未来工业应用提供具有优异机械性能的易于回收的CFRP复合材料,提供了可持续的解决方案。


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