通过静电纺丝（electro-spun）低熔融温度聚酰胺（polyamide, PA）纳米纤维中间层增强再生碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）的可持续策略

《Polymer Composites》：A Sustainable Strategy for Enhancing Recycled CFRP via Electro-Spun Low-Melting Temperature Polyamide Nanofiber Interlayers

　　

对轻量化且高比强度材料需求的增长导致碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）用量快速增加，同时CFRP废弃物也显著增多。尽管回收碳纤维的研究很多，但受纤维损伤、短纤维化与界面退化影响，再生CFRP的结构化再利用仍然有限，力学性能下降。研究人员提出一种基于静电纺丝（electro-spun）低熔融温度聚酰胺（polyamide, PA）纳米纤维毡的界面工程策略，用于恢复再生CFRP复合材料的力学性能。研究人员先用短切碳纤维制备原始CFRP（virgin CFRP, v-CFRP），进行拉伸试验；断裂试样在氩气气氛下1000°C热解回收碳纤维；随后将静电纺丝PA纳米纤维毡引入再生纤维网络，再进行环氧（epoxy）浸渍。PA纳米纤维毡使再生复合材料力学性能显著提升：拉伸强度由70 MPa增至106 MPa（约51%），弹性模量由4.2 GPa增至6.3 GPa（约50%），拉伸应变由1.4%增至6.0%，延性改善。傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR）证实环氧环开反应与PA酰胺基形成共价键；结合纳米纤维桥联效应，界面黏附、载荷传递与抗裂纹扩展能力增强。该方法为再生CFRP性能恢复与可持续复合材料回收提供了实用策略。

研究背景方面，工业革命以来线性生产消费模式加剧资源消耗与废弃物负担，碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）因低密度高刚度广泛用于航空航天、汽车、风电与体育器材。但环氧基体为热固性，报废CFRP难以回收，填埋或焚烧带来环境压力。现有回收多聚焦碳纤维回收，热解、超临界流体、化学降解可恢复纤维，但再生短切纤维存在纤维损伤、长度缩短、随机取向与纤维/基体界面退化，导致载荷传递效率差、脆性增大、力学性能下降。因此，仅恢复纤维不够，必须重建受损界面。研究人员开展一项界面工程研究：用静电纺丝（electro-spun）低熔融温度聚酰胺（polyamide, PA）纳米纤维毡作为中间层，嵌入再生碳纤维网络，借助PA在约150°C熔融并与环氧（epoxy）发生环开反应，形成化学键合并通过纳米纤维网络实现物理桥联，从而恢复再生CFRP的结构性能。论文发表在《Polymer Composites》。该研究意义在于把再生CFRP研究从“纤维回收”推进到“界面重构”，为高性能可持续复合材料回收提供新框架。

主要关键技术方法方面，研究人员以拉伸破坏后的vCFRP-50试样作为机械损伤源样本，经氩气保护下1000°C热解获得再生短切碳纤维；通过静电纺丝在乙醇体系中制备低熔融温度PA纳米纤维毡，并将其作为中间层放入再生纤维铺层中；随后用环氧/固化剂体系浸渍，在150°C与7.5 MPa下热压成型得到PA改性再生CFRP（rCFRP/PA）。表征上采用差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）分析PA与PA/环氧热行为，傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析酰胺基与环氧环开反应，万能试验机按ASTM D3039测试拉伸性能，阿基米德法测密度并结合ASTM D3171计算纤维质量分数、纤维体积分数与孔隙率，扫描电子显微镜（scanning electron microscopy, SEM）与光学显微镜（optical microscopy, OM）观察断口与界面。

3.1 热与化学相互作用部分，研究人员通过DSC发现原始PA毡在150°C—155°C有清晰熔融峰，而PA/环氧试样熔融峰减弱变宽，说明PA结晶受环氧网络限制并与基体强相互作用；FT-IR显示酰胺I、酰胺II及N–H伸缩振动在固化后减弱，环氧C–O–C相关吸收变化，证明PA酰胺基作为亲核位点攻击环氧环，发生环氧环开反应，在纤维—基体界面形成共价键。结论是低熔融温度PA不仅物理增强，还参与固化，改善界面结构。

3.2 力学与断裂行为部分，研究人员先比较vCFRP-30与vCFRP-50，发现更长纤维提升刚度、强度与失效应变，50 mm纤维更易出现纤维断裂主导破坏，说明载荷传递更高效；rCFRP-50相对vCFRP-50强度、模量、应变下降，源于热解造成的纤维损伤与短化。加入PA纳米纤维毡后，rCFRP-50/PA拉伸强度约70 MPa升至106 MPa，模量4.2 GPa升至6.3 GPa，应变1.4%升至6.0%。OM与SEM显示未改性再生体系有大量纤维拔出和界面脱粘，PA改性体系断口更粗糙、基体残留更多、拔出纤维更短且嵌埋更强，说明界面黏附提升、裂纹被偏转桥联与抑制。

随后 fracture surface morphology 分析进一步显示，rCFRP-50表面平滑、纤维裸露，属弱界面脱粘；rCFRP-50/PA表面粗糙、碳纤维上附着环氧残片与变形基体，表明失效由纯界面分离转向更具内聚性的破坏。

机制示意图部分，研究人员总结PA纳米纤维毡具有双重功能：化学上酰胺基与环氧环开形成共价界面；物理上三维纳米纤维网络桥联微裂纹、耗散断裂能、延缓裂纹扩展。化学键合与纳米桥联协同提高载荷传递与损伤容限。

对比文献表格部分，研究人员指出传统机械回收、热解、研磨多用于混凝土、PLA、ABS或非环氧体系，环氧基再生CFRP常出现5%—20%性能下降或仅有限改善；本研究在环氧体系中实现拉伸强度约51%提升，核心不是纤维排列或基体替换，而是受损纤维—基体界面的活性重构。

讨论部分总结，研究人员强调再生CFRP性能不仅取决于回收纤维质量，也取决于界面区重建；传统策略重纤维回收轻界面修复，而静电纺丝低熔融温度PA纳米纤维毡在工艺兼容温度下同时提供物理桥联与化学反应，弥补热解损伤带来的界面退化。研究也存在边界：仅准静态拉伸与断口分析，疲劳、冲击、环境耐久与放大制造尚需后续验证。

结论部分译为：本研究将静电纺丝低熔融温度聚酰胺（polyamide, PA）纳米纤维毡作为界面增强策略，用于恢复再生碳纤维增强塑料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）复合材料力学性能。PA纳米纤维毡使拉伸强度、弹性模量与拉伸应变显著提升，缓解回收过程引起的力学退化。关键发现是，静电纺丝PA纳米纤维毡的作用超越常规热塑性中间层裂纹桥联：FT-IR提示PA与环氧基体存在化学相互作用，光学显微观察显示纤维拔出与界面脱粘减少，断裂形貌更内聚；纳米纤维桥联与界面重构协同，使应力传递更高效、裂纹扩展抗性更强。该工作表明静电纺丝热塑性纳米纤维可作为再生CFRP多功能中间层，把回收策略由单纯碳纤维回收推向界面重构，并建立“界面重构+力学增强”框架。该策略兼容现有复合材料工艺，可为高性能增值再生CFRP与循环经济提供路径。