NCM封面文章|中国科学院山西煤炭化学研究所侯相林团队：炭纤维增强环氧树脂复合材料的化学回收与再利用研究进展
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炭纤维增强环氧树脂复合材料是一种以环氧树脂为基体、炭纤维为增强材料的复合材料，其具有高比强度、低密度、高刚度等特点，被广泛应用于航空航天、风力发电、体育用品、汽车配件、桥梁加固等领域。炭纤维及其环氧树脂复合材料生产和需求的快速增长导致其废弃物规模逐年上升。如果不采取任何回收处理措施，到2050年，炭纤维增强环氧树脂复合材料废弃物将累计达到98.3万吨。因此，迫切需要探索回收炭纤维增强环氧树脂复合材料的方法，包括回收昂贵的炭纤维和基体环氧树脂。而固化后的环氧树脂具有高度交联的三维网络结构，导致这些材料不溶不熔，难以回收。
目前，回收炭纤维增强环氧树脂复合材料的方法主要包括机械回收、热处理和化学回收三大类。机械回收是将废旧复合材料缩小尺寸的过程，粉碎后的复合材料被用作填充或增强材料来增强其他材料。但这种方法不能回收长纤维，且回收产品的价值较低。热处理技术主要集中在两种类型，即流化床技术和热解技术。通常，热处理在高温环境下进行，树脂无法回收，且处理过程中会产生有毒气体，如CO、NOx、SOx等，严重污染大气环境。化学回收是一种比较有前景的方法，在溶剂 (含或不含催化剂) 中将复合材料中的环氧树脂降解为单体、低聚物或其他物质，并回收高价值炭纤维。
近日，中国科学院山西煤炭化学研究所侯相林研究员课题组在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上发表了题为“Review of chemical recycling and reusing of carbon fiber reinforced epoxy resin composites”的综述文章，重点总结了炭纤维增强环氧树脂复合材料化学回收方法的研究进展，主要包括超临界和亚临界流体、强氧化溶剂解、醇解、电化学回收、催化降解等方法（图1）。此外，在环氧树脂中插入可逆化学键为热固性环氧树脂的循环利用提供了机会。因此，还简要介绍了可回收热固性环氧树脂的合成及解聚机理。最后，提出了化学回收炭纤维增强环氧树脂复合材料和制备高性能可回收环氧树脂材料可能的发展方向。
图1 图文摘要
在温和条件下的催化降解被认为是回收废弃炭纤维增强环氧树脂复合材料的最佳解决方案，既可以回收炭纤维，又可以得到高附加值的化学品。团队提出了利用高浓度氯化锌/水催化体系，通过选择性活化C-N键，实现热固性环氧树脂可控催化降解的回收。在高浓度氯化锌水溶液中，不完全配位的锌离子与环氧树脂中C-N键的氮原子作用，活化C-N键并选择性断裂。同时发现，利用二氯甲烷或冰乙酸等溶剂对热固性环氧树脂进行溶胀预处理，可以显著提高环氧树脂的降解效率。回收炭纤维保持良好的性能（图2）。多次循环实验表明只需补充适量水和少量催化剂，其催化降解效果没有明显变化。未来炭纤维增强环氧树脂复合材料的回收，不仅要保持原炭纤维的力学性能和长度，还要实现基体环氧树脂的高值化回收利用，这将大大提高炭纤维增强环氧树脂复合材料回收的技术经济性和商业价值。
图2 (a) CFRCs废弃物和(b) 回收炭纤维的照片，(c) 原炭纤维和(d) 回收炭纤维的扫描电镜图。
New Carbon Materials文章信息：
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TIAN Zi-shang, WANG Yu-qi, Hou Xiang-lin. Review of chemical recycling and reusing of carbon fiber reinforced epoxy resin composites[J]. New Carbon Materials, 2022, 37(6): 1-25.
ScienceDirect主页：
https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials/
通讯作者简介：
侯相林，中国科学院山西煤炭化学研究所山西省生物炼制工程中心主任，研究员，博士生导师。清华大学学士，中国科学院博士。作为课题负责人承担973子课题、国家重点研发子课题、山西省滚球体育 重大专项、国家烟草专卖局滚球体育 攻关等滚球体育 项目，同时承担热固树脂化学解聚、亚麻深加工、沙棘高值化利用等横向课题多项。作为通讯作者在Applied Catalysis B，ACS Catalysis， Green Chem.等发表期刊论文近百篇，其中一区论文20余篇，授权国家发明专利百余件，合作出版《复合材料回收再利用》学术专著，获省部级滚球体育 奖励三项。培养指导博士、硕士研究生20余名，其中多人获得国家奖学金，宝钢奖学金等。现任中国化工学会超临界流体技术委员会委员，中国再生资源产业技术创新战略联盟专家委员会委员，SAMPE学会中国大陆总会复合材料回收再利用专业委员会委员，山西省三晋英才拔尖骨干人才。曾任山西煤化所滚球体育 开发处处长，扬州碳纤维工程技术中心主任。
王玉琪，中国科学院山西煤炭化学研究所副研究员，硕士生导师。2016年毕业于中国科学院大学（山西煤炭化学研究所）获博士学位。工作期间入选中科院“青促会”和山西省“三晋英才”。主要开展废旧高分子材料循环利用及资源化等工作。目前，作为第一作者或通讯作者在Applied Catalysis B: Environmental, Composites Part B: Engineering, Composites Science and Technology, Green Chemistry等国际期刊上发表论文10余篇，授权发明专利10余项。
http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60652-8
《新型炭材料（中英文）》
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