【摘 要】
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随着科技的进步,纺织材料的应用范围已经从日常生活领域拓展到航天航空等高新科技领域,导致纺织材料的原料供不应求。来源于石化资源的碳纤维及其复合材料是高新科技领域纺织产品的代表,其紧张的市场需求和生产废料的与日俱增间互相矛盾,从复合材料中回收碳纤维是成为一项具有挑战性的工作。传统废弃物的处理方式如填埋与焚烧等因对生态环境产生严重威胁已被行业禁止推广和使用。碳纤维增强相和作为粘结剂的树脂基体是碳纤维复合
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随着科技的进步,纺织材料的应用范围已经从日常生活领域拓展到航天航空等高新科技领域,导致纺织材料的原料供不应求。来源于石化资源的碳纤维及其复合材料是高新科技领域纺织产品的代表,其紧张的市场需求和生产废料的与日俱增间互相矛盾,从复合材料中回收碳纤维是成为一项具有挑战性的工作。传统废弃物的处理方式如填埋与焚烧等因对生态环境产生严重威胁已被行业禁止推广和使用。碳纤维增强相和作为粘结剂的树脂基体是碳纤维复合材料的主要成分。随着聚合物科学的研究发展,尽管已通过新型的可延展共价自适应网络(CAN)树脂基体开发出一些高性能的可回收碳纤维复合材料,但其中绝大多数树脂基体来源于不可再生资源且其研究重点通常只聚焦于复合材料综合机械表现的构建,随着石油资源的日益枯竭、全球可持续发展理念的延伸以及纺织材料高端市场的发展需求,利用可再生资源制备高性能且可回收的功能性材料,是解决原料的短缺、废料回收的未来和缓冲市场创新需求的发展方向。纤维复合材料的树脂基体对复合材料的综合性能、功能和回收效率有决定性的影响。本文通过采用具有不同基础性能的可再生原料开发用于制备可回收纤维复合材料的树脂基体。首先,通过合成的具有非传统荧光的超支化聚酰胺胺(HPAMAM)和改性香草醛基环氧单体在固化过程中原位生成希夫碱的方法制备了具有环氧/亚胺杂化网络的荧光热固性聚合物(HP/MB),其次,使用生物基混合胺和100%可再生碳含量的改性香草醛环氧树脂通过相同的方法制备了全生物基的环氧/聚亚胺杂化网络材料(DTA/MB)。基于不同的表征技术与方法系统地研究了两种树脂材料的热和机械性能、应力松弛、热延展性能和降解性能,通过现有理论基础系统地阐述了HP/MB体系的荧光发射机制。得益于动态亚胺键的引入,两种杂化网络材料均表现出优异的力学性能、热延展性能和再加工性能。对于HP/MB体系,HP/MB-3具有出最优的综合力学表现,其拉伸强度为76.4 MPa,断裂伸长率为11.4%。利用HP/MB的本征荧光跟踪和检测了交联薄膜的刮痕自修复过程,裂缝在140℃,5 MPa下4min内完成100%的修复。另一方面,由于含有长碳链的胺类固化剂的引入,DTA/MB体系表现出类弹性体的超高断裂伸长(182.8%)。此外,优异的延展性能支持了再加工DTA/MB薄膜在原有力学性能上的高度保持,其拉伸强度和弹性模量修复率均达到80%以上。另外,基于亚胺的酸催化降解,两个体系的杂化网络材料均可以在室温的酸性条件下完全降解且降解过程简便绿色。两个体系的综合性能表现展现出在开发新型可持续发展、可回收纤维复合材料中的巨大潜力。通过将碳纤维引入到开发的杂化网络体系的两种树脂粘结剂中分别制备了具有非传统荧光的功能性可回收碳纤维复合材料以及全生物基可回收碳纤维复合材料,系统地研究了两种体系碳纤维复合材料的力学性能、降解与回收性能。结果显示,两种体系的复合材料均表现出优于商业化环氧树脂碳纤维复合材料的机械性能。基于亚胺在温和条件下可酸催化降解的特性,实现了碳纤维主体的全面无损回收,包括回收碳纤维的表观形貌特征、力学性能和物理化学结构三大主要方面。本研究工作针对纤维材料的回收制备了两种新型的树脂材料,以及基于这两种树脂材料的性能特点制备了新型的高性能碳纤维复合材料和实现了复合材料中纤维主体的无损回收。具有功能性基体以及基体可再生且可降解的高性能碳纤维复合材料的开发为新型纤维复合材料的制备与回收提供了一个新的研究方向,简便、温和、经济、绿色的回收工艺有望在纺织品复合材料的生产与回收中推广应用。
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