专栏名称: 高分子科技

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烟台大学辛志荣教授、包春阳副教授团队：利用可化学回收、可再加工的高强度可逆交联聚脲塑料构建可无损回收的芳纶纤维增强复合材料

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2024-10-30 12:52

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芳纶纤维增强复合材料 (AFRCs) 因具备高机械强度、高模量、质轻等综合性能而越来越受到人们的广泛关注。然而，传统 AFRCs 的基体通常为不可逆的三维共价交联结构，难以实现从 AFRCs 中无损回收 AFs 。

近期， 辛志荣教授、包春阳副教授团队 在构筑可化学回收的高性能热固性聚合物材料方面开展了一系列工作（ Macromolecules 2023 , 56 , 6633 - 6643 ; P olym. Chem. 2024 , 15 , 172 -180; ACS Appl. Polym. Mater. 2024 , DOI: org/10.1021/acsapm.4c02945 ）。在此基础上，团队利用可逆交联的策略构筑了可化学回收、可再加工、高强度的可逆交联聚脲塑料 (PUHA) ，并成功利用其为基体制备了可无损回收的 AFRCs （图 1 ）。在此工作中，首先以缩醛胺基团交联线性聚脲的可逆交联策略制备了 PUHA 塑料，并且通过改变主链结构，制备了两种机械性能与传统的工程塑料相媲美的 PUHA 塑料。基于缩醛胺基团的动态可交换性， PUHA 塑料至少可以再加工至少 5 次而不牺牲其原始的力学性能。同时， PUHA 塑料在酸性条件下可以快速解聚成线性聚脲。以 PUHA 塑料为基质来制备的 AFRCs 也表现出优异的机械强度。此外，由于 PUHA 塑料的简单的化学回收工艺流程，可以经过简单的方法将 AFRCs 完全分离回收为完整的 AFs 和高纯度的线性聚脲。

图 1 (a) PUHA 的合成路线及结构示意图， (b) PUHA 的紫外 - 可见透射光谱（插图： PUHA 的照片）， (c) PUHA 的傅里叶红外光谱。

图 2 (a) PUHA 的应力 - 应变曲线， (b) PUHA _BBA 在 1700 cm ^-1 ~ 1600 cm ^-1 范围的 ATR-FTIR 谱图， (c) PUHA _BAPP 在 1720 cm ^-1 ~ 1620 cm ^-1 范围的 ATR-FTIR 谱图， (d) PUHA 和 PC 、 PMMA 、 PS 、 PVC 等工程塑料的综合机械性能对比， (e) PUHA _BBA 提起 11.8 kg 的重物展示的照片， (f) PUHA _BAPP 承重展示的照片， (g) PUHA 的水接触角， (h) PUHA _BAPP 浸泡在水中 10 天前后的应力 - 应变曲线， (i) 热固性 PUHA _BAPP 浸泡在水中 10 天前后的综合力学性能对比。

图 3 (a) PUHA _BBA 和 (b) PUHA _BAPP 在不同温度下的应力松弛曲线， (c) PUHA 的松弛时间τ * 与 1000/T 拟合的线性方程， (d) 缩醛胺在聚合物网络中的动态交换反应， (e-f) PUHA 的加工过程照片， (g-h) PUHA 加工前后的应力 - 应变曲线。

图 4 (a) PUHA 在酸性条件下的降解示意图， (b-c) PUHA 的降解和线性聚脲分子的回收， (d-e) PUHA 降解后的线性低聚物的核磁氢谱。

图 5 (a) AFRC 的降解及 AF 和线性聚脲分子的回收 (b) 原始芳纶、 (c) PUHA _BBA /AF 中降解回收的芳纶和 (d) PUHA _BAPP /AF 降解回收的芳纶的 SEM 图， (e) 原始芳纶、 PUHA _BBA /AF 和回收的芳纶的拉曼光谱， (f) 原始芳纶、 PUHA _BAPP /AF 和回收的芳纶的拉曼光谱。

综上所述，本研究介绍了可逆交联聚脲塑料在纤维增强复合材料制造中的应用，并为开发可无损回收高性能纤维增强复合材料提供了思路。

以上研究以“ Chemically Recyclable, Reprocessable, and Mechanically Robust Reversible Cross-Linked Polyurea Plastics for Fully Recyclable Aramid Fiber Reinforced Composites ”为题发表在在美国化学会出版的高分子科学领域顶级刊物《 ACS Macro Letters 》 上。烟台大学为第一通讯单位，硕士研究生 苗若萱 和 尹延龙 为论文的共同第一作者， 辛志荣 教授和 包春阳 副教授为论文的通讯作者。相关工作得到了国家自然科学基金、烟台市科技创新发展规划基础研究项目、山东省先进材料与绿色制造实验室科学基金和山东省泰山学者计划等项目的支持。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.4c00596

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