碳纤维增强复合材料，凭借其质轻、高强度、高耐热性等卓越特性，在航空航天、风力发电、汽车制造、土木工程及体育用品等多个领域大放异彩。然而，随着其广泛应用，大量废弃物——包括未使用的预浸料、制造过程中的边角料及寿命终结的组件——正引发日益严峻的经济与环境挑战。因此，碳纤维复合材料的回收再利用显得尤为迫切。
回收之路：两大难点待攻克
碳纤维复合材料的回收面临两大核心难题：一是基体热固性树脂（如环氧树脂）的降解回收难题；二是碳纤维的无损回收挑战。热固性树脂因其永久共价交联网络结构，既无法再加工，也无法溶于有机溶剂，这无疑增加了回收的难度。传统回收方法，如机械回收、热处理回收（包括热解、微波辅助热解及流化热床降解）以及溶剂解。王玉忠院士团队在碳纤维增强热固性树脂复合材料的纤维回收和树脂的溶剂解方面取得了系统的研究成果（Mater. Today 2023, 64. 72-97; Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202405912; Green Chem. 2022, 24, 7082-7091; Green Chem. 2023, 25, 5566-5574; Mater. Horiz. 2022, 9, 2993-3001; ChemSusChem 2022, 15, e202101607.）。然而，如果体系引入阻燃剂，会对环氧树脂及其复合材料的回收产生了复杂性。阻燃性与可回收性的双重考验
碳纤维复合材料的诸多应用领域，如汽车、轨道交通、航空航天及风力发电等，均对材料的阻燃性提出了严格要求。然而，无论是通过添加阻燃剂，还是通过环氧树脂固化剂或树脂本身引入本征阻燃结构，都会在一定程度上恶化复合材料的可回收性。具体而言，阻燃处理可能带来以下负面影响：不完全燃烧：降低材料的焚化效率，增加回收过程中的能耗与排放。树脂降解历程改变：对碳纤维造成更大的破坏，进一步降低回收碳纤维的质量与性能。额外的环境问题：含阻燃元素的有机排放物可能引发新的环境风险，对生态系统构成潜在威胁。面对碳纤维复合材料回收过程中层出不穷的挑战，动态共价键（Dynamic Covalent Bonds, CBs）的发展为热固性聚合物及其复合材料的可持续发展提供了一种可行方案。四川大学王玉忠院士团队的陈力教授负责的研究组报道了一系列基于外加催化剂（Chemosphere, 2022, 294, 133778）、无催化（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）酯交换反应，膦酸酯交换反应（Research 2022, 2022, 9846940）和DA-逆DA反应（EcoMat 2023, 5, e12388；Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202312638）的含磷环氧树脂及其复合材料，实现可重复加工本征阻燃环氧树脂的制备，既解决了环氧树脂的易燃性，又实现了循环回收。这种设计方法打破了“阻燃环氧树脂难回收利用”的传统认知，为解决环氧树脂阻燃性能与回收处理之间的矛盾提供了新的思路。最近，受《Macromolecules》邀请，四川大学王玉忠院士团队发表了Perspective观点文章，系统梳理并总结了近年来基于DCBs技术的可持续阻燃热固性树脂及其复合材料的最新研究成果。该观点文章深度剖析了缔合型与解离型动态共价交联聚合物的多个典型范例，细致探讨了以酯键、二硫键、亚胺键（希夫碱）、DA-逆DA反应、硼酸酯键及氨基甲酸酯键为核心构建的分子结构。这些结构不仅实现了阻燃性与可持续性的双重兼顾，还深入揭示了材料动态性能、阻燃性能与基础性能之间的内在联系。文章对当前的发展现状进行了全面总结，并深刻剖析了存在的问题与挑战。此类材料不仅有望破解当前碳纤维复合材料回收过程中的技术瓶颈，更将引领碳纤维复合材料产业迈向更加绿色、安全、可持续的未来。通过巧妙利用动态共价键技术，科研人员正逐步构建起一座连接高性能与可回收性的桥梁，为碳纤维复合材料的广泛应用与环保回收开辟了全新的可能。
图1 动态共价化学实现阻燃热固性材料及其碳纤维增强复合材料的概念说明阻燃动态共价化学树脂基复合材料的研究尚处萌芽阶段，但其展现出的潜力预示着将引领树脂基复合材料领域向低成本、高效能制造及绿色可持续发展方向迈进。然而，这一新兴领域也伴随着一系列亟待解决的问题与挑战：（1）再加工性与可回收性难题：尽管动态共价化学的最新进展在开发新型阻燃动态共价热固性树脂方面取得了显著成果，但再加工后材料的性能往往受限，且树脂基体降解产物难以实现单一化合物的提取。闭环化学回收热固性复合材料以获取纯单体和碳纤维，成为未来发展的一大挑战与机遇。（2）高阻燃性需求与可回收性冲突：在材料中引入阻燃官能团虽能提升其阻燃性能，但往往牺牲了树脂和复合材料的可回收性。此外，阻燃单元的引入可能释放卤素、磷等阻燃元素，引发新的环境隐患。值得注意的是，多数报道指出，许多阻燃热固性树脂及其复合材料在点火、火势蔓延等方面的阻燃性能并未达到与传统阻燃复合材料相当的水平，其阻燃机制仍需进一步阐明。（3）性能平衡的挑战：动态共价键的引入虽赋予了材料可逆性，但可能在一定程度上牺牲了材料的固有性能。未来的研究需致力于在确保材料阻燃性和固有性能的同时，实现可再加工性，以满足不同应用场景的多样化需求。（4）工业化与商业化壁垒：尽管实验室级别的合成与应用展现了良好的前景，但将阻燃动态共价化学树脂基复合材料推向商业化、实现可持续生产仍面临诸多挑战。（5）新型动态共价化学反应的探索：除本文提及的已用于开发阻燃热固性树脂的动态化学键外，探索如硅氧烷等新型动态共价键，以制备可持续阻燃的热固性复合材料，具有广阔的研究空间和应用潜力。该文以“Recyclable Flame-Retardant Thermosets and Their Fiber-Reinforced Composites”为题发表在《Macromolecules》上。第一作者为陈力教授，通讯作者为王玉忠院士。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acs.macromol.4c00996
相关进展
欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[email protected]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。
欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。
申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。
