基于熱固性塑料的碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（CFRC）很難回收利用。在本研究中，通過芳香族頻哪醇交聯(lián)聚氨酯（PU-AP）熱固性塑料與碳纖維（CF）布的復(fù)合，制造出了高性能 CFRC。PU-AP 熱固性材料的斷裂強(qiáng)度為 95.5 MPa，韌性為 473.6 MJ m
-3，并含有豐富的氫鍵基團(tuán)，可與碳纖維布產(chǎn)生很強(qiáng)的粘合力。由于 CF 布與 PU-AP 熱固性塑料之間的高界面粘合力和 PU-AP 熱固性塑料的高韌性，CF/PU-AP 復(fù)合材料具有大于 870 兆帕的高抗拉強(qiáng)度。在 100 ℃ 的 N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中加熱時，CF/PU-AP 復(fù)合材料中的芳香族頻哪醇可被裂解，生成無破壞性的 CF 布和線性聚合物，并可轉(zhuǎn)化為高性能彈性體。這種彈性體具有機(jī)械堅固性、可愈合性、可再加工性和抗損傷性，抗拉強(qiáng)度高達(dá) 74.2 MPa，斷裂能為 149.6 kJ m
-2。因此，CF/PU-AP 復(fù)合材料的解離可以回收可重復(fù)使用的 CF 布和高性能彈性體，從而實(shí)現(xiàn) CF/PU-AP 復(fù)合材料的升級再循環(huán)。
Fig 1. a) PU-AP 熱固性材料的合成路線。 b) HO-預(yù)聚物-OH、AP-NCO 和 PU-AP 在 4000-500 cm
-1 范圍內(nèi)的傅立葉變換紅外光譜。 c) 厚度為 0.25 mm 的 PU-AP 片材的紫外/可見透射光譜。d) PU-AP 熱固性材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
Fig 2. a）CF/PU-AP 復(fù)合材料的制造。b、c）純 CF 布（b）和 1-CF/PU-AP 復(fù)合材料（c）的數(shù)碼照片（i）和頂視圖 SEM 圖像（ii）。d、e）2-CF/PU-AP（d）和 3-CF/PU-AP（e）復(fù)合材料的數(shù)碼照片（i）和截面 SEM 圖像（ii）。 g）純 CF 布和 1-CF/PU-AP 復(fù)合材料的力-位移曲線。h) 1-CF、2-CF 和 3-CF/PU-AP 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 i) 1-CF/PU-AP 復(fù)合材料在室溫下浸泡在純水、飽和氯化鈉溶液和 1 M HCl 水溶液中 72 小時后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，無需干燥。
Fig 3. a) CF/PU-AP 復(fù)合材料上循環(huán)過程的數(shù)字圖像 b) 面積為 8×8 cm
2 的 PU-DM 彈性體的數(shù)字圖像 c) AP-F 的合成路線 d) AP-F/4-OH-TEMPO 的 ESR 光譜 e) AP-F 到 DM-F 的轉(zhuǎn)化過程以及 AP-F 和 DM-F 的
1H NMR 光譜 f) 從裂解的 PU-AP 得到的 PU-DM 的化學(xué)結(jié)構(gòu)。
Fig 4. a) PU-DM 彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 b) 原始、拉伸和復(fù)原 PU-DM 片材（0.5 厘米×3 厘米×0.2 毫米）的數(shù)碼照片。 c) 不同等待時間下 PU-DM 彈性體的循環(huán)加載-卸載拉伸曲線。 d) 原始和缺口 PU-DM 彈性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。插圖為 PU-DM 彈性體的 2D-SAXS 圖樣。 f) PU-DM 彈性體的結(jié)構(gòu)示意圖。 g) 不同應(yīng)變下 PU-DM 彈性體的 2D-SAXS 圖樣。
Fig 5. a) 將 PU-DM 彈性體切成兩片（i）后在 100 ℃下加熱 24 h（ii）的數(shù)碼照片。 b) 證明愈合后的 PU-DM 彈性體（6 cm×1.5 cm×0.5 mm）可以舉起 5 kg啞鈴的數(shù)碼照片。 c) PU-DM 彈性體在 100 ℃ 下愈合不同時間的應(yīng)力應(yīng)變曲線。將彈性體切割成毫米級碎片 (i)，然后對碎片進(jìn)行熱壓，得到一塊新的 PU-DM 彈性體 (ii)。
相關(guān)研究工作由吉林大學(xué)Junqi Sun課題組于2024年在線發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，Upcycling of Carbon Fiber/Thermoset Composites into High-Performance Elastomers and Repurposed Carbon Fibers, 原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/anie.202403972
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
