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  碳纖維增強復合材料，憑借其質輕、高強度、高耐熱性等卓越特性，在航空航天、風力發(fā)電、汽車制造、土木工程及體育用品等多個領域大放異彩。然而，隨著其廣泛應用，大量廢棄物——包括未使用的預浸料、制造過程中的邊角料及壽命終結的組件——正引發(fā)日益嚴峻的經濟與環(huán)境挑戰(zhàn)。因此，碳纖維復合材料的回收再利用顯得尤為迫切。

回收之路：兩大難點待攻克

阻燃性與可回收性的雙重考驗

  碳纖維復合材料的諸多應用領域，如汽車、軌道交通、航空航天及風力發(fā)電等，均對材料的阻燃性提出了嚴格要求。然而，無論是通過添加阻燃劑，還是通過環(huán)氧樹脂固化劑或樹脂本身引入本征阻燃結構，都會在一定程度上惡化復合材料的可回收性。具體而言，阻燃處理可能帶來以下負面影響：

  不完全燃燒：降低材料的焚化效率，增加回收過程中的能耗與排放。

  樹脂降解歷程改變：對碳纖維造成更大的破壞，進一步降低回收碳纖維的質量與性能。

  額外的環(huán)境問題：含阻燃元素的有機排放物可能引發(fā)新的環(huán)境風險，對生態(tài)系統(tǒng)構成潛在威脅。

  面對碳纖維復合材料回收過程中層出不窮的挑戰(zhàn)，動態(tài)共價鍵（Dynamic Covalent Bonds, CBs）的發(fā)展為熱固性聚合物及其復合材料的可持續(xù)發(fā)展提供了一種可行方案。四川大學王玉忠院士團隊的陳力教授負責的研究組報道了一系列基于外加催化劑（Chemosphere, 2022, 294, 133778）、無催化（Green Chem., 2022, 24, 6980；J. Polym. Sci. 2024, 62, 3195）和自催化（Polym. Degrad. Stab., 2023, 211, 110315；Polymer, 2023, 281, 126083；Sustainable Mater. Technol. 2024, 40, e00883；Front. Chem. Sci. Eng. 2024, 18, 146）酯交換反應，膦酸酯交換反應（Research 2022, 2022, 9846940）和DA-逆DA反應（EcoMat 2023, 5, e12388；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312638）的含磷環(huán)氧樹脂及其復合材料，實現(xiàn)可重復加工本征阻燃環(huán)氧樹脂的制備，既解決了環(huán)氧樹脂的易燃性，又實現(xiàn)了循環(huán)回收。這種設計方法打破了“阻燃環(huán)氧樹脂難回收利用”的傳統(tǒng)認知，為解決環(huán)氧樹脂阻燃性能與回收處理之間的矛盾提供了新的思路。

圖1 動態(tài)共價化學實現(xiàn)阻燃熱固性材料及其碳纖維增強復合材料的概念說明

  阻燃動態(tài)共價化學樹脂基復合材料的研究尚處萌芽階段，但其展現(xiàn)出的潛力預示著將引領樹脂基復合材料領域向低成本、高效能制造及綠色可持續(xù)發(fā)展方向邁進。然而，這一新興領域也伴隨著一系列亟待解決的問題與挑戰(zhàn)：

  （1）再加工性與可回收性難題：盡管動態(tài)共價化學的最新進展在開發(fā)新型阻燃動態(tài)共價熱固性樹脂方面取得了顯著成果，但再加工后材料的性能往往受限，且樹脂基體降解產物難以實現(xiàn)單一化合物的提取。閉環(huán)化學回收熱固性復合材料以獲取純單體和碳纖維，成為未來發(fā)展的一大挑戰(zhàn)與機遇。

  （2）高阻燃性需求與可回收性沖突：在材料中引入阻燃官能團雖能提升其阻燃性能，但往往犧牲了樹脂和復合材料的可回收性。此外，阻燃單元的引入可能釋放鹵素、磷等阻燃元素，引發(fā)新的環(huán)境隱患。值得注意的是，多數(shù)報道指出，許多阻燃熱固性樹脂及其復合材料在點火、火勢蔓延等方面的阻燃性能并未達到與傳統(tǒng)阻燃復合材料相當?shù)乃剑渥枞紮C制仍需進一步闡明。

  （3）性能平衡的挑戰(zhàn)：動態(tài)共價鍵的引入雖賦予了材料可逆性，但可能在一定程度上犧牲了材料的固有性能。未來的研究需致力于在確保材料阻燃性和固有性能的同時，實現(xiàn)可再加工性，以滿足不同應用場景的多樣化需求。

  （4）工業(yè)化與商業(yè)化壁壘：盡管實驗室級別的合成與應用展現(xiàn)了良好的前景，但將阻燃動態(tài)共價化學樹脂基復合材料推向商業(yè)化、實現(xiàn)可持續(xù)生產仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

  （5）新型動態(tài)共價化學反應的探索：除本文提及的已用于開發(fā)阻燃熱固性樹脂的動態(tài)化學鍵外，探索如硅氧烷等新型動態(tài)共價鍵，以制備可持續(xù)阻燃的熱固性復合材料，具有廣闊的研究空間和應用潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00996