碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料因其質(zhì)輕、高強(qiáng)度高模量、尺寸穩(wěn)定性好等特性，廣泛用于飛機(jī)、汽車工業(yè)和體育用品等領(lǐng)域。然而，其復(fù)雜的多相結(jié)構(gòu)和共價(jià)交聯(lián)的聚合物基質(zhì)使得復(fù)合材料的回收再生極具挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的物理機(jī)械回收和熱化學(xué)回收方法不可避免地會(huì)破壞聚合物基體并有損碳纖維性能。

? ? ? ?在交聯(lián)聚合物基質(zhì)中引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，可以使其在特定條件下發(fā)生降解，進(jìn)而分離回收復(fù)合材料中的碳纖維。然而，聚合物基質(zhì)降解后通常得到低聚物的混合物，而非可以用于聚合的純凈單體，限制了復(fù)合材料循環(huán)再生的途徑。如何實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的閉環(huán)回收，以獲得純凈的單體和碳纖維，仍然是一個(gè)難題。

? ? ? ?近日，清華大學(xué)徐江飛副研究員等人基于馬來酸叔酰胺鍵的可逆酰胺化學(xué)，構(gòu)筑了具有優(yōu)異力學(xué)性能且可閉環(huán)化學(xué)回收的碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料。如圖1所示，研究人員設(shè)計(jì)合成了線形聚乙烯亞胺作為多官能度仲胺大分子單體，雙官能度馬來酸酐作為交聯(lián)劑，利用仲胺和馬來酸酐生成馬來酸叔酰胺鍵的反應(yīng)構(gòu)筑了交聯(lián)聚合物基質(zhì)。之后，將聚合物基質(zhì)與碳纖維布進(jìn)行復(fù)合，制備了碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料。相關(guān)研究成果以“Reversible Amidation Chemistry Enables Closed-Loop Chemical Recycling of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites to Monomers and Fibers”為題發(fā)表在《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

圖1. 基于可逆酰胺化反應(yīng)構(gòu)筑可閉環(huán)回收的碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料示意圖

研究表明，復(fù)合材料表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能（拉伸強(qiáng)度＞450 MPa，楊氏模量＞12 GPa），同時(shí)具有出色的熱穩(wěn)定性和耐溶劑性。如圖2所示，將該復(fù)合材料置于2 M HCl水溶液中，馬來酸叔酰胺鍵發(fā)生可控的斷鍵，交聯(lián)聚合物基質(zhì)可在室溫下1小時(shí)內(nèi)完全解聚；再通過簡便的分離即可以回收得到完整的碳纖維，并以高回收率（＞93%）得到聚乙烯亞胺大分子單體和馬來酸酐交聯(lián)劑。這一解聚回收條件相對(duì)較溫和，分離得到的碳纖維具備和復(fù)合前幾乎相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，兩種單體均具有高純度，它們可以重新用于聚合制備新批次的碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，其性能與原批次的復(fù)合材料基本保持一致。

圖2. （a）碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的閉環(huán)化學(xué)回收流程；（b）馬來酸酐交聯(lián)劑和（c）聚乙烯亞胺大分子單體在聚合前和回收后的核磁譜圖

綜上所述，基于馬來酸叔酰胺鍵的可逆酰胺化學(xué)，成功實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的閉環(huán)化學(xué)回收。這一研究為設(shè)計(jì)構(gòu)筑可閉環(huán)回收的高性能復(fù)合材料提供了新的思路，有助于推動(dòng)聚合物循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展（本文來源：Carbontech）