碳纖維有望實現完全回收！
近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)設計出閉環路徑，可用于合成極其堅韌的碳纖維增強聚合物(CFRP)，并隨后回收其所有原材料。
/ ORNL 閉環技術有望解決行業難題 / CFRP作為一種輕質、堅固且堅韌的復合材料，可用于減輕汽車、飛機和航天器的重量并提高燃油效率。然而，傳統的CFRP很難回收，大多數都是一次性材料，因此碳足跡顯著。相比之下，ORNL的閉環技術（發表在期刊《Cell Reports Physical Science》上），可以應對上述挑戰。
傳統的熱固性材料是永久交聯的。熱固性環氧樹脂等傳統聚合物通常用于永久粘合金屬、碳、混凝土、玻璃、陶瓷和塑料等材料，形成復合材料等多組分材料，一旦合成、固化、成型并定型，就無法再加工。而 ORNL 的系統則是在聚合物基體及其嵌入的碳纖維中添加動態化學基團。具體來說，當一種名為頻哪醇（pinacol）的特殊醇類取代交聯劑的共價鍵時，材料的成分就可以釋放出來，進行回收利用。聚合物基體和碳纖維可以經過多次再加工，而不會喪失機械性能，如強度和韌性。
據實驗室人員介紹，由于存在動態鍵，纖維和聚合物的界面粘附力非常強。界面通過共價作用將材料鎖在一起，并根據需要利用熱量或化學作用將其解鎖，功能化纖維與這種聚合物之間存在動態可交換交聯。由于界面特性，復合結構非常堅固。這使得材料非常非常堅固。
/ 原理解釋 /
研究人員從大自然中汲取靈感，利用動態界面創造出堅固耐用的材料。珍珠質是海洋貽貝和其他軟體動物貝殼內的五彩珍珠母貝，具有超強的韌性：可以變形而不破裂。此外，海洋貽貝會強力粘附在表面上，但在必要時會耗散能量以釋放出來。研究人員的目標是優化碳纖維和聚合物基體之間的界面化學性質，以增強界面粘附力，提高 CFRP 的韌性。"我們的復合材料強度幾乎是傳統環氧樹脂復合材料的兩倍，"拉赫曼說，"其他機械性能也非常出色。”
拉伸強度，即材料在拉伸時可承受的應力，在同類纖維增強復合材料中是最高的。它的拉伸強度為 731MPa--比不銹鋼還強，比傳統的環氧樹脂基 CFRP 汽車復合材料還強。
在 ORNL 的材料中，纖維界面和聚合物之間的動態共價鍵與沒有動態鍵的聚合物相比，界面粘附力提高了 43%。
動態共價鍵實現了閉環回收。在傳統的基體材料中，碳纖維很難與聚合物分離。ORNL 的化學方法可在功能位點上夾住纖維，從而使纖維與聚合物分離以便重復使用成為可能。
Karunarathna Koralalage、Rahman 和 Saito 在田納西大學諾克斯維爾分校布雷德森跨學科研究和研究生教育中心研究生 Natasha Ghezawi 的協助下，對一種名為 S-Bpin 的商品聚合物進行了改性。他們創造出了可循環利用的苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯共聚物，這種共聚物含有硼酸酯基團，可與交聯劑和纖維共價鍵合，生成堅韌的CFRP。
“科學家們發現，動態交聯的程度非常重要。"拉赫曼說，"我們發現 5%的交聯比 50%的交聯效果更好。如果我們增加交聯劑的用量，聚合物就會開始變脆。這是因為我們的交聯劑有三個像手一樣的大塊結構，能夠產生更多的連接，降低聚合物的柔韌性。”
接下來，研究團隊希望對玻璃纖維復合材料進行類似的研究，玻璃纖維復合材料可以在保持高性能的同時降低航空航天、汽車、海洋、體育、建筑和工程應用的成本和碳足跡。他們還希望降低新技術的成本，以拓展更多應用領域，優化商業前景，特別是風力渦輪機、電動汽車、航空航天材料甚至體育用品。
來源：PolymerTech、Carbontech
