Angew. Chem. ：高强度碳纤维/热固性树脂复合材料升级回收为高性能弹性体和可再利用碳纤维

传统的碳纤维增强聚合物复合材料(CFRCs)由碳纤维和环氧树脂等热固性树脂通过层压或模压方法制造得到，其具有高力学强度、高模量和优异的化学稳定性。但热固性树脂内部稳定的三维交联结构使得CFRCs在使用后难以解聚和回收，从而导致严重的环境污染和资源浪费。开发新型的可回收利用CFRCs，并利用升级回收等策略实现回收材料价值的最大化，对构建可持续发展社会具有重要意义。

吉林大学的孙俊奇教授课题组制备了芳香频哪醇交联的热固性树脂及其碳纤维增强复合材料，基于芳香频哪醇的热致解离特性，该复合材料可在加热条件下解聚为原始的碳纤维及高强度弹性体，从而实现了高性能CFRCs的升级回收。

作者首先以四臂芳香频哪醇分子为交联剂，制备了高强度热固性树脂PU-AP，其断裂强度约为95.5 MPa，杨氏模量约为248.7 MPa。随后，作者将多层碳纤维布浸渍在PU-AP的N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)溶液中，在挥发溶剂后得到了CF/PU-AP复合材料。由于PU-AP和碳纤维之间存在氢键相互作用，CF/PU-AP具有优异的力学性能，其杨氏模量约为22.3 GPa，断裂强度约为870 MPa，撕裂能高达1496 kJ m^-2。此外，CF/PU-AP复合材料具有优异的化学稳定性，将其浸泡在水及多种常见有机溶剂中，其力学性能几乎保持不变。

将CF/PU-AP复合材料置于100 °C 的DMAc中加热3小时，基于芳香频哪醇的热致解离特性，热固性的PU-AP可转化为可溶性线性聚合物，使碳纤维可以很方便地从溶液中分离出来，实现了碳纤维高效、无损的回收利用。为了进一步确认PU-AP在解离后的化学结构，作者以氟官能化的芳香频哪醇为模型分子，详细研究了芳香频哪醇的解离条件和解离产物。顺磁测试表明，芳香频哪醇在70 °C开始解离；核磁和质谱测试证明，芳香频哪醇解离后生成了二苯甲醇结构。上述实验表明，PU-AP在加热后转变为线性聚合物，这一聚合物被命名为PU-DM。

将PU-DM的DMAc溶液浇筑成膜，加热溶剂挥发后，可得到黄色透明的PU-DM弹性体。PU-DM弹性体内部存在原位生成的微相分离结构，这一微相分离结构由疏水的二环己烷异氰酸酯和二苯甲醇聚集形成，且在微相分离结构中存在大量由脲键和氨基甲酸酯键形成的氢键交联。此微相分离结构可作为纳米填料，赋予PU-DM弹性体高达74.2 MPa的断裂强度。同时，微相分离结构赋予PU-DM弹性体高韧性和抗撕裂性能，其韧性和抗撕裂能分别高达312.3 MJ m^-3和149.6 kJ m^-2。PU-DM弹性体可在加热条件下实现修复和重复加工。因此，作者成功地将热固性PU-AP树脂升级回收为高性能PU-DM弹性体。

综上，孙俊奇教授团队制备了芳香频哪醇交联的热固性树脂及其碳纤维增强复合材料，该复合材料可在加热条件下实现升级回收，在实现碳纤维无损回收的同时，将热固性树脂转化为高性能弹性体。这是首例可实现升级回收CFRCs的报道。该工作为新型具有升级回收性能的纤维增强复合材料的制备提供了一种新的策略。

论文信息

Upcycling of Carbon Fiber/Thermoset Composites into High-Performance Elastomers and Repurposed Carbon Fibers

Tiantian Yang, Xingyuan Lu, Xiaohan Wang, Xiang Wei, Ni An, Yixuan Li, Wenjie Wang, Xiang Li, Xu Fang and Junqi Sun*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202403972