基于热固性塑料的碳纤维增强聚合物复合材料（CFRC）很难回收利用。在本研究中，通过芳香族频哪醇交联聚氨酯（PU-AP）热固性塑料与碳纤维（CF）布的复合，制造出了高性能 CFRC。PU-AP 热固性材料的断裂强度为 95.5 MPa，韧性为 473.6 MJ m^-3，并含有丰富的氢键基团，可与碳纤维布产生很强的粘合力。由于 CF 布与 PU-AP 热固性塑料之间的高界面粘合力和 PU-AP 热固性塑料的高韧性，CF/PU-AP 复合材料具有大于 870 兆帕的高抗拉强度。在 100 ℃ 的 N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）中加热时，CF/PU-AP 复合材料中的芳香族频哪醇可被裂解，生成无破坏性的 CF 布和线性聚合物，并可转化为高性能弹性体。这种弹性体具有机械坚固性、可愈合性、可再加工性和抗损伤性，抗拉强度高达 74.2 MPa，断裂能为 149.6 kJ m^-2。因此，CF/PU-AP 复合材料的解离可以回收可重复使用的 CF 布和高性能弹性体，从而实现 CF/PU-AP 复合材料的升级再循环。
 
Fig 1. a) PU-AP 热固性材料的合成路线。 b) HO-预聚物-OH、AP-NCO 和 PU-AP 在 4000-500 cm^-1 范围内的傅立叶变换红外光谱。 c) 厚度为 0.25 mm 的 PU-AP 片材的紫外/可见透射光谱。d) PU-AP 热固性材料的应力-应变曲线。
 
Fig 2. a）CF/PU-AP 复合材料的制造。b、c）纯 CF 布（b）和 1-CF/PU-AP 复合材料（c）的数码照片（i）和顶视图 SEM 图像（ii）。d、e）2-CF/PU-AP（d）和 3-CF/PU-AP（e）复合材料的数码照片（i）和截面 SEM 图像（ii）。 g）纯 CF 布和 1-CF/PU-AP 复合材料的力-位移曲线。h) 1-CF、2-CF 和 3-CF/PU-AP 复合材料的应力-应变曲线。 i) 1-CF/PU-AP 复合材料在室温下浸泡在纯水、饱和氯化钠溶液和 1 M HCl 水溶液中 72 小时后的应力-应变曲线，无需干燥。
 
Fig 3. a) CF/PU-AP 复合材料上循环过程的数字图像 b) 面积为 8×8 cm² 的 PU-DM 弹性体的数字图像 c) AP-F 的合成路线 d) AP-F/4-OH-TEMPO 的 ESR 光谱 e) AP-F 到 DM-F 的转化过程以及 AP-F 和 DM-F 的 ¹H NMR 光谱 f) 从裂解的 PU-AP 得到的 PU-DM 的化学结构。
 
Fig 4. a) PU-DM 弹性体的应力-应变曲线。 b) 原始、拉伸和复原 PU-DM 片材（0.5 厘米×3 厘米×0.2 毫米）的数码照片。 c) 不同等待时间下 PU-DM 弹性体的循环加载-卸载拉伸曲线。 d) 原始和缺口 PU-DM 弹性体的应力-应变曲线。插图为 PU-DM 弹性体的 2D-SAXS 图样。 f) PU-DM 弹性体的结构示意图。 g) 不同应变下 PU-DM 弹性体的 2D-SAXS 图样。
 
Fig 5. a) 将 PU-DM 弹性体切成两片（i）后在 100 ℃下加热 24 h（ii）的数码照片。 b) 证明愈合后的 PU-DM 弹性体（6 cm×1.5 cm×0.5 mm）可以举起 5 kg哑铃的数码照片。 c) PU-DM 弹性体在 100 ℃ 下愈合不同时间的应力应变曲线。将弹性体切割成毫米级碎片 (i)，然后对碎片进行热压，得到一块新的 PU-DM 弹性体 (ii)。
 
      相关研究工作由吉林大学Junqi Sun课题组于2024年在线发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，Upcycling of Carbon Fiber/Thermoset Composites into High-Performance Elastomers and Repurposed Carbon Fibers, 原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202403972

转自《石墨烯研究》公众号