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  碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，憑借其質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高耐熱性等卓越特性，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、汽車制造、土木工程及體育用品等多個(gè)領(lǐng)域大放異彩。然而，隨著其廣泛應(yīng)用，大量廢棄物——包括未使用的預(yù)浸料、制造過(guò)程中的邊角料及壽命終結(jié)的組件——正引發(fā)日益嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)與環(huán)境挑戰(zhàn)。因此，碳纖維復(fù)合材料的回收再利用顯得尤為迫切。

回收之路：兩大難點(diǎn)待攻克

阻燃性與可回收性的雙重考驗(yàn)

  碳纖維復(fù)合材料的諸多應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車、軌道交通、航空航天及風(fēng)力發(fā)電等，均對(duì)材料的阻燃性提出了嚴(yán)格要求。然而，無(wú)論是通過(guò)添加阻燃劑，還是通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固化劑或樹(shù)脂本身引入本征阻燃結(jié)構(gòu)，都會(huì)在一定程度上惡化復(fù)合材料的可回收性。具體而言，阻燃處理可能帶來(lái)以下負(fù)面影響：

  不完全燃燒：降低材料的焚化效率，增加回收過(guò)程中的能耗與排放。

  樹(shù)脂降解歷程改變：對(duì)碳纖維造成更大的破壞，進(jìn)一步降低回收碳纖維的質(zhì)量與性能。

  額外的環(huán)境問(wèn)題：含阻燃元素的有機(jī)排放物可能引發(fā)新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成潛在威脅。

  面對(duì)碳纖維復(fù)合材料回收過(guò)程中層出不窮的挑戰(zhàn)，動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵（Dynamic Covalent Bonds, CBs）的發(fā)展為熱固性聚合物及其復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展提供了一種可行方案。四川大學(xué)王玉忠院士團(tuán)隊(duì)的陳力教授負(fù)責(zé)的研究組報(bào)道了一系列基于外加催化劑（Chemosphere, 2022, 294, 133778）、無(wú)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(yīng)，膦酸酯交換反應(yīng)（Research 2022, 2022, 9846940）和DA-逆DA反應(yīng)（EcoMat 2023, 5, e12388；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312638）的含磷環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)加工本征阻燃環(huán)氧樹(shù)脂的制備，既解決了環(huán)氧樹(shù)脂的易燃性，又實(shí)現(xiàn)了循環(huán)回收。這種設(shè)計(jì)方法打破了“阻燃環(huán)氧樹(shù)脂難回收利用”的傳統(tǒng)認(rèn)知，為解決環(huán)氧樹(shù)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(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)實(shí)現(xiàn)阻燃熱固性材料及其碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的概念說(shuō)明

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

  （1）再加工性與可回收性難題：盡管動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)的最新進(jìn)展在開(kāi)發(fā)新型阻燃動(dòng)態(tài)共價(jià)熱固性樹(shù)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(shù)脂基體降解產(chǎn)物難以實(shí)現(xiàn)單一化合物的提取。閉環(huán)化學(xué)回收熱固性復(fù)合材料以獲取純單體和碳纖維，成為未來(lái)發(fā)展的一大挑戰(zhàn)與機(jī)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(tuán)雖能提升其阻燃性能，但往往犧牲了樹(shù)脂和復(fù)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(bào)道指出，許多阻燃熱固性樹(shù)脂及其復(fù)合材料在點(diǎn)火、火勢(shì)蔓延等方面的阻燃性能并未達(dá)到與傳統(tǒng)阻燃復(fù)合材料相當(dāng)?shù)乃剑渥枞紮C(jī)制仍需進(jìn)一步闡明。

  （3）性能平衡的挑戰(zhàn)：動(dòng)態(tài)共價(jià)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(lái)的研究需致力于在確保材料阻燃性和固有性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)可再加工性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的多樣化需求。

  （4）工業(yè)化與商業(yè)化壁壘：盡管實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的合成與應(yīng)用展現(xiàn)了良好的前景，但將阻燃動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)樹(shù)脂基復(fù)合材料推向商業(yè)化、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

  （5）新型動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)反應(yīng)的探索：除本文提及的已用于開(kāi)發(fā)阻燃熱固性樹(shù)脂的動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵外，探索如硅氧烷等新型動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵，以制備可持續(xù)阻燃的熱固性復(fù)合材料，具有廣闊的研究空間和應(yīng)用潛力。

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