高性能绝缘环氧Vitrimer的简易改性：实现超高修复效率与闭环回收的创新策略

本文推荐一种通过二丙胺改性及混合酸酐固化剂（MHHPA与戊二酸酐）协同策略，成功制备了高性能绝缘环氧Vitrimer。该材料在保持优异电击穿强度（38.01 kV/mm）、拉伸强度（68.4 MPa）和玻璃化转变温度（Tg达104℃）的同时，实现93%的强度修复率，并可在130℃乙二醇中完全降解，降解产物（PAls）可直接用于环氧树脂（EP）及聚氨酯（PU）合成，为电力领域循环经济提供突破性解决方案。

　　

Introduction

绝缘材料对电力系统至关重要，直接关系到电网安全与运行效率。环氧树脂凭借其高机械强度、优异电绝缘性、耐热性及卓越疏水性[[1], [2], [3], [4]]，被广泛应用于绝缘子、灌封料和涂层中，其可靠性覆盖从10 kV配电网到超高压输电工程[[5], [6], [7]]。目前全球环氧树脂年需求量已超20万吨，然而现有树脂回收与再利用研究中，能满足高性能应用要求的成果仍有限[[8], [9], [10], [11]]，这直接导致预计到2030年累计废弃物量将达300万吨[12]。因此，开发能满足实际应用需求（如绝缘树脂）的高性能Vitrimer已成为亟待解决的关键问题[[13], [14], [15], [16]]。

Leibler等人提出了Vitrimer的概念，其整合了热固性材料的内在特性与热塑性材料的可回收特性[[17], [18], [19]]。在此基础上，多种环氧单体与羧酸/酸酐体系被用于制备环氧Vitrimer[21]。早期体系多依赖外加催化剂驱动酯交换反应[22,23]，尽管操作简便，但由于外加催化剂的分散性与稳定性较差，不仅限制其添加量，还对修复效率产生不利影响[[24], [25], [26], [27]]。此外，外加催化剂在长期使用过程中易从Vitrimer基质中浸出，对环境和人类健康构成不可逆风险[28,29]。

为解决该问题，研究者通过共价键将叔胺和羟基引入交联网络[[30], [31], [32], [33], [34]]。其中共价结合的叔胺在酯交换中发挥关键催化作用：作为内在催化位点，其孤对电子从酯基中提取质子以激活羰基碳，使其易受邻近羟基的亲核攻击，最终加速酯键交换[28,29]。通过此设计，体系酯交换效率得到有效提升。Tian等人使用1,5-戊二胺引入叔胺制备泡沫Vitrimer，其在160℃修复后表现出2.9 MPa压缩强度与84%修复效率，但玻璃化转变温度（T_g）相对较低，仅为69℃[35]。Zhang等人在环氧E51/甲基六氢苯酐（MHHPA）/衣康酸酐共固化体系中通过三乙醇胺引入叔胺制备Vitrimer，所得网络具备105℃的高T_g，但刚性网络结构限制了修复效率：即使在180℃、10 MPa下修复，拉伸强度仅恢复至初始值（78.2 MPa）的61%[36]。Sabyasachi Gaan课题组设计了多种含磷结构的环氧-酸酐网络，其T_g高达120～140℃，并通过丰富网络酯基实现粉碎料再加工与纤维回收[[37], [38], [39]]。

对绝缘树脂而言，耐热性是需评估的关键性能，涉及热击穿等失效模式[[40], [41], [42]]。然而同时实现高耐热性与高修复效率仍具挑战[[43], [44], [45], [46], [47], [48], [49]]。此外，高性能Vitrimer在温和条件下的有效闭环回收是重点研究方向，目前相关研究仍有限[[50], [51], [52], [53]]。

为应对这些挑战，本研究提出一种简易改性策略。利用二丙胺改性剂与刚性MHHPA固化剂在E51/戊二酸酐（GA）基础网络中的协同效应，我们制备了兼具高本征性能与高修复效率的绝缘Vitrimer。值得注意的是，该材料可在温和条件下完全降解，且降解所得多元醇（PAls）可直接作为关键原料用于制备环氧树脂（EP）或聚氨酯（PU）。该体系克服了绝缘环氧Vitrimer高性能与可回收性平衡的关键难题，对推动电力行业循环经济具有重要前景。

Conclusion

本研究通过引入二丙胺提升修复效率，并结合刚性MHHPA共固化优化本征性能的简易策略，成功开发出高性能绝缘环氧Vitrimer。

具体而言，D-EP25/M75在保持38.42 kV/mm高交流击穿强度的同时，实现了综合性能的优异平衡：拉伸强度69.2 MPa、玻璃化转变温度（T_g）108℃，以及81%的拉伸强度修复率。