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北化胡君教授课题组 CEJ: 具有本征损伤自报告特性的高性能可回收玻璃纤维增强复合材料

北化胡君教授课题组 CEJ: 具有本征损伤自报告特性的高性能可回收玻璃纤维增强复合材料 高分子科技
2022-06-14
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导读:巧妙地将二硫键和酯键引入环氧树脂基体中,一方面利用二硫键受外力断裂产生的颜色…
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玻璃纤维增强复合材料因其轻质、高强、耐腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天、风力发电等领域。复合材料的损伤预测可以降低结构件的故障发生率,节省成本甚至挽救生命。同时,热固性基体的三维交联结构使其一旦损坏或达到服役年限就难以再回收利用。因此,构建具有损伤自报告特性的高性能可回收玻璃纤维增强复合材料是一项有挑战性和吸引力的工作。

近日,北京化工大学软物质科学与工程高精尖创新中心胡君教授团队在《Chemical Engineering Journal》上发表了题为Recyclable High-Performance Glass-Fiber/Epoxy Composites with UV-Shielding and Intrinsic Damage Self-Reporting Properties的论文。该工作巧妙地将二硫键和酯键引入环氧树脂基体中,一方面利用二硫键受外力断裂产生的颜色变化,赋予复合材料损伤自报告的特性,另一方面受益于二硫键和叔胺内催化的酯交换动态特性,实现复合材料中纤维的无损回收(图1)。论文第一作者为北京化工大学硕士研究生龚浩杰



1 具有本征损伤自报告特性的高性能可回收玻璃纤维增强复合材料的制备

1树脂基体展现出良好的热性能(Tg ≥ 206 °C机械性能(拉伸强度~70 MPa,模量1.6 GPa)以及优异的紫外屏蔽特性(图2)。
 


树脂基体的基本力、热性能及紫外屏蔽性能

2动态二硫键及叔胺加速的酯交换反应使树脂基体在230°C下的松弛时间仅为28 s。这种双动态特性使树脂基体可以与二硫苏糖醇(DTT)发生交换反应,降解交联网络(图3
 


树脂基体网络的动态性能和降解性能

3、受外力时树脂基体中的二硫键断裂产生硫自由基,实现损伤的可视化。同时,自由基会重新组合配对,颜色逐渐消失,且环境温度越高,颜色消失越快(图4)。
 


树脂基体的力致变色特性及机理

4、自由落体-低速撞击实验显示,第4次撞击时(2.39 J就有肉眼可见的颜色变化,而复合材料的断裂直到第70次撞击(41.86 J)才出现(图5)。也就是说,材料在出现严重损坏前表现出显著的颜色发展,实现对损伤位置的预报告。
 


复合材料的周期性撞击实验及损伤自报告过程

5、得益于树脂基体的降解性,复合材料中玻璃纤维可以实现无损回收i)随着二硫苏糖醇(DTT进入交联网络,树脂基体发生溶胀;(iiDTT的巯基和羟基在70°C下参与交换反应,导致网络部分降解;(iii)交联网络中所有二硫键和酯键断裂,回收得到无损的玻璃纤维6)。
 


复合材料的降解回收

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894722028807


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