Cyrene生物基溶剂用于碳纤维增强聚合物层压板绿色分层回收的研究

为解决碳纤维增强聚合物(CFRP)回收过程中传统溶剂毒性高、污染大的问题，研究人员采用生物基溶剂Cyrene开展绿色分层回收研究。结果表明，在160–220°C常压条件下，Cyrene能有效溶胀环氧树脂实现CFRP分层，再生层压板力学性能保持原品的72.3%–88.3%。该技术实现了CF和树脂的全组分回收，为CFRP废弃物可持续处理提供了新方案。

　　

随着航空航天、新能源汽车和风电产业的快速发展，碳纤维增强聚合物(CFRP)因其优异的力学性能、低密度和耐腐蚀特性得到广泛应用。然而CFRP制品寿命周期结束后产生的废弃物处理已成为严峻的环境挑战——这些材料不可生物降解，且传统回收方法存在明显局限性：机械回收会破坏碳纤维(CF)结构，热解回收能耗高且导致CF强度下降15–50%，化学回收则面临溶剂毒性强、设备要求高、产生有害副产物等问题。更关键的是，现有技术大多无法同时回收CF和树脂基质，造成资源浪费和环境污染。

在此背景下，河南理工大学资源环境研究所团队在《Materials Today Sustainability》发表研究，创新性地采用生物基溶剂Cyrene（二氢左旋葡萄糖酮）开发CFRP绿色分层回收技术。研究人员通过热重分析(TGA)、差示扫描量热法(DSC)、动态力学分析(DMA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段，系统评估了Cyrene对环氧树脂的溶胀特性、CF性能保持效果以及再生材料的力学性能。

研究结果方面：

3.1. Cyrene溶液中树脂的溶胀特性和化学稳定性

在140–220°C温度范围内，树脂溶胀率随温度和时间的增加而显著提升。220°C处理4小时后溶胀率达303.39%，而质量损失率仅12.59%。FTIR分析表明在140–220°C处理1小时条件下，树脂化学结构保持稳定，C–O–C和C–N键仅轻微减弱，说明树脂破碎主要源于溶胀过程中的体积膨胀而非降解。

3.2. 溶胀过程对CF力学性能的影响

经140–220°C的Cyrene处理1小时后，CF单丝的抗拉强度和抗拉模量分别保持原始性能的88.73–99.02%和94.03–99.31%，证明温和的溶胀过程不会损害CF的力学性能。

3.3. CFRP层压板在Cyrene中的分层特性

温度超过200°C时，CFRP层压板成功分层为柔软的单层CF片材，厚度从1.5mm增加至5mm。SEM图像显示160–200°C时CF片表面树脂发生开裂剥落，220°C时CF长丝间出现更多裂纹。

3.4. 树脂在Cyrene中的可能溶胀机制

Cyrene作为中等极性非质子溶剂，其酮基与环氧树脂极性基团形成氢键，促使溶剂分子渗入聚合物链间，破坏分子间作用力导致树脂膨胀。高温下(180–220°C)环氧树脂交联结构部分受损，进一步促进溶胀。

3.5. CFRP层压板在Cyrene中的分层机理

采用"三明治模型"解释分层过程：树脂吸收Cyrene后体积膨胀软化，持续溶胀导致树脂基质破碎，使相邻CF片分离。

3.6. 新制备CFRP层压板与溶胀产物的力学性能

再生层压板的弯曲强度、拉伸强度和层间剪切强度分别达原品的72.3–77.5%、74.6–87.0%和84.6–88.3%。DSC和DMA分析显示再生层压板玻璃化转变温度(T_g)从146.5°C降至142.3°C，热力学稳定性有所降低。循环实验表明每次回收都会导致力学性能下降，三次回收后弯曲强度保持率降至53.28%。

3.7. Cyrene再生

使用后的Cyrene可通过减压蒸馏(175°C, 0.09MPa, 20min)回收，FTIR证实再生Cyrene化学结构未发生改变。

3.8. CFRP回收中溶剂性能的比较分析

与醋酸、DMAC（二甲基乙酰胺）和DMSO（二甲基亚砜）等传统溶剂相比，Cyrene具有生物基来源、可生物降解、毒性极低、不可燃等优势，但操作温度较高且成本昂贵。

该研究证实Cyrene作为一种绿色溶剂，能在温和条件下实现CFRP的有效分层回收，同时保持CF的力学性能和长度完整性。这种方法不仅实现了CF和树脂的全组分回收，减少了废弃物产生，而且溶剂可循环使用，显著降低了环境影响。虽然再生材料的力学性能较原始CFRP有所下降，但仍能满足许多应用场景的需求。特别是该方法为CFRP废弃物的可持续管理提供了新思路，通过资源节约和再利用支持可持续发展，对推动循环经济和绿色制造具有重要意义。未来研究可进一步优化工艺参数，降低操作温度和生产成本，促进该技术的工业化应用。