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天工大任元林教授團隊 CEJ:設計一種具有抗熔滴、自愈合和可再加工性能的新型生物基本征阻燃環氧樹脂及其回收應用于耐久多功能Lyocell織物
2025-02-08  來源:高分子科技


  環氧樹脂憑借其卓越的耐熱性、耐溶劑性、耐濕性、耐化學腐蝕性、機械性能和廣泛的基材附著能力,在現代聚合物工業中占據了舉足輕重的地位。然而,值得注意的是,超過90%的環氧樹脂是通過雙酚A與環氧氯丙烷在氫氧化鈉催化下反應合成的雙酚A二縮水甘油酯醚(DGEBA)。這一合成路徑高度依賴于石油化工資源,鑒于全球石油儲量的不斷縮減,探索利用可再生資源來制備生物基環氧樹脂的研究正逐漸成為焦點。


  環氧樹脂本身具有較高的可燃性,其極限氧指數(LOI)僅為23%在燃燒時,它還伴隨著熔滴現象,釋放大量有毒煙霧,這些缺陷嚴重制約了其在工業領域的廣泛應用。物理共混作為一種簡便、高效且經濟的手段,常被用于提升環氧樹脂的阻燃性能。然而,由于化學結構上的差異,阻燃劑與環氧樹脂之間的相容性問題始終難以攻克。此外,阻燃劑在基體中存在遷移或浸出傾向,還會對材料交聯密度的潛在負面影響,這些都可能導致環氧樹脂的機械性能受損。另,傳統環氧樹脂的可再加工性能欠佳,一旦材料受損便無法修復,這不僅導致了資源的極大浪費,還加劇了環境污染問題。鑒于此,開發兼具自修復能力和可再加工性能的生物質基本征阻燃環氧樹脂,無疑將成為未來研究的熱門方向。


1. L-Trp@PA/TPEP的合成路線。


  為了解決這些痛點,天津工業大學任元林教授團隊以生物質茶多酚、L-色氨酸、植酸和環氧氯丙烷為原料合成了一種新型生物質基本征阻燃環氧樹脂(L-Trp@PA/TPEP)。


2. TPEPL-Trp@PA/TPEPMCC曲線(a)PHRR (b)THR & HRC (c)LOI(d)L-Trp@PA/TPEP垂直燃燒測試圖 (e)


  與環氧單體TPEP相比,L-Trp@PA/TPEPTHRHRC分別降低了67.8%71.9%LOI值由23.3%顯著增加至36.4%。經30次洗滌循環周期后,L-Trp@PA/TPEPLOI值任保持在35.2%,具有良好的水洗耐久性。在垂直燃燒試驗中,L-Trp@PA/TPEP只產生微小的火焰,火源移走后立即自熄,材料幾乎完好無損。在燃燒過程中沒有觀察到熔滴現象,具有與傳統環氧樹脂不同的優異抗熔滴性能。


3. TPEP (a)L-Trp@PA/TPEP (b)的自愈合過程;L-Trp@PA/TPEP的可再加工性能(c);不同再加工次數后L-Trp@PA/TPEP的應力-應變曲線(d)及對應的拉伸強度、斷裂伸長率(e)


  由于L-Trp@PA/TPEP具有軟化溫度,結構中還存在大量氫鍵、π-π堆疊和離子鍵作用,L-Trp@PA/TPEP80下表現出了優異的自愈合性能受損后的L-Trp@PA/TPEP150℃5 MPa可以進行一次再加工,克服了傳統環氧樹脂不可重復使用的缺點。第二次再加工后,由于后處理過程中C-CP-OP=O等共價鍵斷裂,L-Trp@PA/TPEP力學性能顯著惡化,導致只能進行一次有效再加工。因此,通過回收L-Trp@PA/TPEP-1(一次再加工后)樣品Lyocell織物涂層整理,制備了耐久多功能織物L-Trp@PA/TPEP/Lyocell


4. Lyocell (a)L-Trp@PA/TPEP/Lyocell (b)L-Trp@PA/TPEP/Lyocell-30 (c)的垂直燃燒測試;不同織物的HRR (d)THR (e)LOI (f)UPF (g)、紫外線透過率(h)和力學強度(i)


  垂直燃燒測試表明,即使L-Trp@PA/TPEP/Lyocell連續暴露在火焰中23 s未被點燃,大部分織物仍未受損,表現出優異的防火性能。相比原始織物,L-Trp@PA/TPEP/LyocellPHRRTHR分別降低了91.2%63.6%LOI值由18.2%提高至34.5%。此外,L-Trp@PA/TPEP/LyocellUPF值為137.29UVAUVB的透過率僅為0.91%0.67%,具有優異的抗紫外線性能。L-Trp@PA/TPEP/Lyocell的斷裂伸長率和抗拉強度分別提高了19.2%33.6%。有趣的是,L-Trp@PA/TPEP/Lyocell在阻燃、抗紫外線和力學性能方面均展現出了卓越的水洗耐久性。


5. LyocellL-Trp@PA/TPEP/Lyocell的耐化學(a-c)、污(d-f)和自清潔測試(g, h)。


  由于環氧樹脂本身具有優異的耐化學性,再加上涂層的疏水作用,改性織物的力學性能pH=1~13范圍內沒有惡化,呈現出良好的耐酸堿性。以剛果紅染料為污染模擬L-Trp@PA/TPEP/Lyocell難以被浸濕,經過簡單的擦拭或沖洗就可實現完全清潔,表現出優異的抗污與自清潔能力。


  該成果發表在中科院一區TOP期刊Chemical Engineering JournalDOI10.1016/j.cej.2025.160196上。論文的第一作者為天津工業大學紡織科學與工程學院博士生左春龍,通訊作者為天津工業大學紡織科學與工程學院任元林教授。本研究從原料、合成、應用回收提出了一整套環保、高附加值方法,不僅克服了傳統環氧樹脂原料不可再生、易燃、熔滴、無法修復、不可再加工和難以回收等缺陷,還開發了一種具有優異阻燃、抗紫外、抗污及自清潔性能的耐久Lyocell織物,對可持續新材料和多功能紡織品的發展均有重要意義。


  原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725010010?via%3Dihub

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(責任編輯:xu)
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