无催化剂制备阻燃且可降解的环氧树脂，用于绿色碳纤维复合材料

《Polymer》：Catalyst-Free Construction of Flame-Retardant and Degradable Epoxy Resins for Green Carbon Fiber Composites

可持续环氧树脂体系开发：基于无BPA四甘氨酰二氨基二苯甲烷（TGDDM）树脂与功能性磷杂环氧化物（FRC-6）的阻燃与可回收协同机制，实现力学性能提升57.2%和氧指数27%，同时保持透明性及非破坏性碳纤维回收能力。

　　这项研究聚焦于开发一种新型的、具有自阻燃特性和可回收性的双酚A（BPA）无环氧树脂体系，以应对传统环氧树脂在环境和健康方面存在的潜在风险，同时提升其在高性能材料领域的应用潜力。环氧树脂作为一种重要的热固性聚合物，广泛应用于电缆、航空航天、高速铁路和风力发电等行业，因其优异的机械强度、电绝缘性能和热稳定性而备受青睐。然而，当前市场上约90%的环氧树脂产品含有双酚A，这种化学物质被证实为内分泌干扰物，正面临全球范围内的严格监管。此外，传统环氧树脂由于其永久交联的结构，导致其在回收利用方面存在较大困难，而其易燃性又进一步限制了其在大规模工程应用中的可行性。

为了克服这些挑战，研究人员选择了一种不含BPA的环氧树脂基质——四缩水甘油基二氨基二苯基甲烷（TGDDM），并引入了一种名为FRC-6的商业可用且成本低廉的聚羟基化合物作为改性剂。FRC-6在本研究中发挥了多重作用，其含有的磷酸/膦酸基团赋予环氧树脂自阻燃特性，而其三级胺基团则作为催化剂，促进了酯交换反应，从而构建出具有动态共价网络的环氧树脂体系。这种动态网络特性使得材料在无需外部催化剂的情况下，能够实现自阻燃功能，并且具备可降解性，为环氧树脂的回收利用提供了可能。同时，FRC-6的羟基基团有助于网络结构在特定条件下的分解，使得回收过程更加高效和环保。

实验结果显示，当FRC-6的添加量为15%时，TGDDM/FRC-6复合材料的拉伸强度、弯曲强度和断裂伸长率分别提高了57.2%、24.8%和40.5%。这表明，FRC-6的引入不仅没有削弱环氧树脂的性能，反而显著提升了其力学特性。在阻燃性能方面，该复合材料的氧指数（LOI）达到了27%，而其峰值热释放速率（pHRR）和总热释放量（THR）分别为418.6 kW/m2和59.6 MJ/m2，显示出良好的阻燃效果。此外，FRC-6的添加并未影响复合材料的透明度，这在某些应用领域（如光学或精密工程）中尤为重要。

在碳纤维增强复合材料（CFRP）的应用中，研究人员利用TGDDM/15%FRC-6体系制备了CFRP复合材料。与纯TGDDM/0%FRC-6体系相比，这种复合材料在燃烧过程中表现出显著的火险降低特性，其pHRR减少了69.2%，THR下降了56.5%，总烟雾产生量（TSP）也降低了52.0%。这表明，FRC-6的加入不仅提升了环氧树脂本身的性能，还对CFRP复合材料的阻燃性产生了积极影响。更重要的是，该体系能够在温和的THF/NaOH溶液中实现碳纤维的非破坏性回收，这为CFRP的可持续利用提供了新的思路。

传统环氧树脂由于其永久交联的结构，回收过程通常需要高温或化学处理，这不仅耗费大量能源，还可能导致碳纤维性能的下降。相比之下，本研究提出的动态共价网络结构为环氧树脂的回收提供了更为温和和高效的路径。通过引入FRC-6，研究人员成功构建了一种能够同时实现阻燃和降解功能的环氧树脂体系，从而消除了对传统催化剂的依赖，并显著提高了材料的可回收性。这一突破性进展不仅解决了环氧树脂在回收过程中的难题，还为开发具有环保特性的高性能复合材料提供了新的方向。

在材料科学领域，阻燃性和可回收性一直是研究的热点。传统阻燃剂通常需要在材料中添加大量化学物质，不仅增加了成本，还可能对环境和人体健康造成影响。而本研究中采用的FRC-6则通过其分子结构设计，实现了阻燃功能与材料性能的协同提升。FRC-6中的磷系基团能够有效抑制燃烧过程，而其羟基和酯基则赋予材料一定的可降解性。这种结构设计使得材料在燃烧过程中能够释放出能够中断链式反应的物质，从而降低火灾风险。同时，由于其动态共价网络的特性，材料在特定条件下可以被分解，使得碳纤维能够被高效回收，而不会受到严重损伤。

除了阻燃性和可回收性，FRC-6的引入还显著改善了环氧树脂的力学性能。在测试中，TGDDM/FRC-6复合材料的拉伸强度和弯曲强度均得到了明显提升，这表明FRC-6不仅在阻燃方面表现出色，还能够增强环氧树脂的结构稳定性。同时，断裂伸长率的增加也表明材料在受到外力作用时具有更好的延展性和韧性，这在某些需要高耐冲击性能的应用中尤为重要。这种性能的提升使得材料在保持其原有优势的同时，能够满足更广泛的应用需求。

在实际应用中，CFRP因其高强度、轻质和优异的耐腐蚀性能，被广泛用于航空航天、汽车制造、交通运输和运动器材等领域。然而，由于其难以回收的特性，CFRP的使用在一定程度上受到限制。本研究提出的TGDDM/FRC-6体系为解决这一问题提供了新的可能性。通过构建动态共价网络，该体系能够在燃烧后实现碳纤维的非破坏性回收，使得CFRP在使用后仍能被重新利用，从而减少资源浪费和环境污染。这种回收过程不仅高效，而且能够在较低的温度和压力条件下进行，降低了能耗和对环境的影响。

此外，本研究还强调了该体系在工业应用中的可行性。与传统阻燃剂和催化剂相比，FRC-6作为一种商业可用的改性剂，具有成本低廉、易于加工和环保等优势。这种材料设计策略不仅适用于环氧树脂体系，还可以推广到其他类型的热固性聚合物，为开发更加环保和可持续的高性能材料提供了新的思路。研究人员还指出，该体系的阻燃性能和可回收性可以同时满足多个行业的需求，例如在航空航天领域，材料的轻量化和阻燃性是关键指标；而在交通运输行业，材料的可回收性则有助于减少废弃物的产生。

在材料回收过程中，传统方法如机械粉碎和化学溶剂解聚往往伴随着材料性能的下降，而本研究提出的温和降解方法则避免了这一问题。通过在THF/NaOH溶液中进行处理，研究人员能够在不破坏碳纤维结构的情况下，将碳纤维从复合材料中分离出来，从而实现材料的高效回收。这种回收方法不仅降低了处理成本，还提高了回收材料的再利用价值，为循环经济的发展提供了技术支持。

从环境角度来看，本研究提出的材料体系具有重要的意义。随着全球对可持续发展和绿色制造的关注不断增加，传统环氧树脂由于其含有的双酚A成分和难以回收的特性，正面临越来越多的环保挑战。而本研究通过引入FRC-6，成功开发出一种不含BPA、具有自阻燃性和可回收性的环氧树脂体系，这不仅有助于减少有害物质的排放，还能够降低材料在生命周期结束后对环境的影响。此外，该体系的阻燃性能和可回收性相结合，使得材料在使用过程中更加安全，同时在回收后仍能保持较高的性能水平，从而实现资源的循环利用。

在工业应用方面，这种新型环氧树脂体系的开发具有广阔的前景。例如，在航空航天领域，材料的轻量化和阻燃性是设计的关键因素，而本研究的材料体系正好满足这些需求。同时，在交通运输和运动器材等行业，材料的可回收性也显得尤为重要，因为它能够减少废弃物的产生，提高资源利用率。此外，该体系还可以应用于电子设备和绝缘材料等领域，为高性能材料的开发提供新的选择。

综上所述，这项研究通过引入FRC-6，成功构建了一种新型的、具有自阻燃性和可回收性的BPA-free环氧树脂体系，为解决传统环氧树脂在环境和健康方面的问题提供了创新性的解决方案。该体系不仅提升了环氧树脂的性能，还为CFRP的可持续利用开辟了新的途径。未来，随着该技术的进一步推广和应用，有望在多个行业中发挥重要作用，推动绿色制造和循环经济的发展。