为了化学领域的胜利，美国能源部橡树岭国家实验室的发明者设计了一条闭环路径，用于合成极其坚韧的碳纤维增强聚合物(CFRP)，并随后回收其所有原材料。
将聚合物、官能化碳纤维和交联剂混合并固化。这些成分可以通过添加酒精、频哪醇来回收。图片来源：PhilipGray和AnisurRahman/ORNL，美国能源部
CFRP是一种轻质、坚固且坚韧的复合材料，可用于减轻汽车、飞机和航天器的重量并提高燃油效率。然而，传统的CFRP很难回收。大多数都是一次性材料，因此它们的碳足迹很大。相比之下，橡树岭国家实验室的闭环技术(发表在《细胞报告物理科学》上)加速了应对这一巨大挑战。
“我们将动态交联融入商品聚合物中，使其功能化。然后，我们添加了交联剂，使其像热固性材料一样，”橡树岭国家实验室化学家兼发明家MdAnisurRahman说道。“动态交联使我们能够打破化学键并重新加工或回收碳纤维复合材料。”
传统的热固性材料是永久交联的。一旦合成、固化、模塑并定形，就无法再加工。另一方面，ORNL的系统将动态化学基团添加到聚合物基体及其嵌入的碳纤维中。聚合物基体和碳纤维可以经历多次再加工循环，而不会损失机械性能，例如强度和韧性。
Rahman与ORNL化学家TomonoriSaito一起领导了这项研究，后者在2023年被Battelle授予ORNL年度发明人称号。Rahman和ORNL博士后研究员MenishaKarunarathnaKoralalage进行了大部分实验。三人已为这项创新申请了专利。
“我们发明了一种坚韧且可回收的碳纤维复合材料，”齐藤说。“由于动态键的存在，纤维和聚合物具有非常强的界面粘合力。”该界面通过共价相互作用将材料锁定在一起，并根据需要使用热或化学将它们解锁。Saito补充道：“功能化纤维与这种聚合物具有动态可交换交联。由于界面特性，复合结构非常坚固。这使得材料非常非常坚固。”
热固性环氧树脂等传统聚合物通常用于永久粘合金属、碳、混凝土、玻璃、陶瓷和塑料等材料，形成复合材料等多组分材料。然而，在ORNL材料中，聚合物、碳纤维和交联剂一旦热固，就可以再生回这些起始材料。当一种称为频哪醇的特殊醇取代交联剂的共价键时，该材料的成分可以被释放以供回收。
实验室规模的闭环回收不会造成起始材料的损失。“当我们回收复合材料时，我们100%回收了起始材料——交联剂、聚合物、纤维，”拉赫曼说。
“这就是我们工作的重要性，”齐藤说。“其他复合材料回收技术往往会在回收过程中损失成分原材料。”
可逆交联CFRP的其他优点包括快速热固性、自粘性能以及复合材料基体中微裂纹的修复。
未来，随着循环轻质材料融入清洁能源技术，碳纤维复合材料的闭环回收可能会改变低碳制造。
研究人员从大自然中汲取灵感，利用动态界面来创造坚固的材料。珍珠质是海洋贻贝和其他软体动物壳内的虹彩珍珠母，非常坚韧：它可以变形而不破裂。此外，海洋贻贝强烈地粘附在表面上，但在必要时会耗散能量以释放。
研究人员旨在优化碳纤维和聚合物基体之间的界面化学，以提高界面粘附力并增强CFRP的韧性。“我们的复合材料的强度几乎是传统环氧复合材料的两倍，”拉赫曼说。“其他机械性能也非常好。”
其拉伸强度(即材料在拉动时可承受的应力)是同类纤维增强复合材料中迄今为止报道的最高值。它的强度为731兆帕，比不锈钢更强，也比汽车用传统环氧基CFRP复合材料更强。
在ORNL材料中，纤维界面和聚合物之间的动态共价键的界面粘附力比没有动态键的聚合物高43%。
动态共价键可实现闭环回收。在传统的基体材料中，碳纤维很难与聚合物分离。ORNL的化学方法可以将纤维夹在功能位点，从而可以将纤维从聚合物中分离出来以供重复使用。
KarunarathnaKoralalage、Rahman和Saito在诺克斯维尔田纳西大学布雷德森跨学科研究和研究生教育中心研究生NatashaGhezawi的协助下，对一种名为S-Bpin的商品聚合物进行了改性。他们创造了升级回收的苯乙烯乙烯丁烯苯乙烯共聚物，其中含有硼酸酯基团，可与交联剂和纤维共价结合，生成坚韧的CFRP。
由于CFRP是一种复杂的材料，其详细表征需要不同的专业知识和仪器。ORNL的ChrisBowland测试了拉伸性能。通过拉曼图谱，橡树岭国家实验室的光阳显示了化学和结构物种的分布。
ORNL的CatalinGainaru和SungjinKim捕获了流变数据，UT-ORNL州长主席AlexeiSokolov对此进行了阐述。ORNL和UT的BingruiLi的扫描电子显微镜显示，碳纤维在回收后仍保持其质量。
UT的VivekChawla和DayakarPenumadu分析了层间剪切强度。ORNL的HarryMeyerIII通过X射线光电子能谱证实了纤维表面附着的分子。ORNL的著名碳纤维专家阿米特·纳斯卡(AmitNaskar)审阅了这篇论文。
科学家发现动态交联的程度很重要。“我们发现5%的交联效果比50%更好，”Rahman说。“如果我们增加交联剂的量，它就会开始使聚合物变脆。这是因为我们的交联剂具有三个像手一样的庞大结构，能够建立更多的连接并降低聚合物的柔韧性。”
接下来，研究团队希望对玻璃纤维复合材料进行类似的研究，玻璃纤维复合材料可以保持高性能，同时降低航空航天、汽车、船舶、体育、建筑和工程应用的成本和碳足迹。他们还希望降低新技术的成本，以优化未来被许可人的商业前景。
拉赫曼说：“这一举措将开启更多应用，特别是风力涡轮机、电动汽车、航空航天材料甚至体育用品。”
