碳纤维增强聚合物（CFRP）作为一种轻质、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，因此碳足迹显著。美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）设计出闭环路径，可用于合成极其坚韧的碳纤维增强聚合物（CFRP），并能回收其所有原材料。ORNL的闭环技术（发表在期刊《Cell Reports Physical Science》上），可以应对上述挑战。 
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。然而，ORNL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，而不会损失如强度和韧性等机械性能。Rahman与ORNL化学家Tomonori Saito一起领导这项研究，此外Rahman和ORNL博士后研究员Menisha Karunarathna Koralalage进行了大部分实验。三人已为这项创新申请了专利。 未来，随着循环轻质材料被纳入清洁能源技术，ORNL的闭环回收技术可能会改变低碳制造。研究人员从大自然中汲取灵感，大自然采用动态界面来创造坚固的材料。珍珠层是海洋贻贝和其他软体动物贝壳内的彩虹色珍珠母，非常坚韧：它可以变形而不会破裂。此外，海贻贝会强烈地粘附在表面，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，以提高界面附着力并增强CFRP韧性。“我们合成的复合材料的强度几乎是传统环氧树脂复合材料的两倍，拉伸强度是同类纤维增强复合材料中最高的。”Rahman说，“其他机械性能也非常好。” ORNL材料与没有动态键的聚合物相比，纤维界面和聚合物之间的动态共价键具有43%的界面附着力。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的化学方法在功能位点‘夹’住纤维，使得将纤维从聚合物中分离出来以供再利用成为可能。研究人员对一种名为S-Bpin的商品聚合物进行了改性。他们创造出一种含有硼酸酯基团的氢化苯乙烯-丁二烯嵌段（SEBS）共聚物，这些基团与交联剂和碳纤维共价键合，让CFRP变得更坚韧。对CFRP进行拉伸性能测试、流变学数据解读、层间剪切强度分析和扫描电子显微镜显示，碳纤维在回收后仍保持其原有质量和性能，通过X射线光电子能谱证实了哪些分子附着在纤维表面。研究人员发现，动态交联的程度很重要。“我们发现5%的交联比50%的交联效果更好。” Rahman说，“如果我们增加交联剂的用量，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类似‘抓手’的结构，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在保持高性能的同时降低航空航天、汽车、海洋、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，以拓展更多应用领域，优化商业前景。
此文由中国复合材料工业协会搜集整理编译，文章不用于商业目的，仅供行业人士交流，引用请注明出处。