從瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Empa）傳來(lái)有關(guān)環(huán)氧樹(shù)脂的最新科研消息，該實(shí)驗(yàn)室在完成環(huán)氧樹(shù)脂的阻燃功能和機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)技術(shù)之外，還研發(fā)環(huán)氧樹(shù)脂的可修復(fù)，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)氧樹(shù)脂的可回收循環(huán)利用。
環(huán)氧樹(shù)脂作為涂料的主要樹(shù)脂，被應(yīng)用于工業(yè)涂料和汽車涂料領(lǐng)域，因?yàn)槠渚哂斜热槟z漆和醇酸漆更好的耐熱效果。
環(huán)氧樹(shù)脂是堅(jiān)韌且用途廣泛的聚合物材料。它們與玻璃纖維或碳纖維結(jié)合使用，例如用于制造飛機(jī)、汽車、火車、船舶和風(fēng)力渦輪機(jī)的部件。纖維增強(qiáng)的環(huán)氧聚合物材料具有優(yōu)異的機(jī)械和熱性能，并且比金屬輕得多。但是，它們的弱點(diǎn)是不可回收，目前并沒(méi)有出現(xiàn)可回收的環(huán)氧樹(shù)脂材料。
但是，現(xiàn)在由Empa高級(jí)纖維實(shí)驗(yàn)室的Sabyasachi Gaan領(lǐng)導(dǎo)，Empa研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于環(huán)氧樹(shù)脂的聚合物材料。這種材料完全可回收、可修復(fù)且具有阻燃性，同時(shí)保持了環(huán)氧樹(shù)脂良好的熱機(jī)械性能。他們?cè)凇痘瘜W(xué)工程雜志》上發(fā)表了該項(xiàng)科研成果。
回收環(huán)氧樹(shù)脂絕非易事，因?yàn)榄h(huán)氧樹(shù)脂是一種熱固性聚合物，這種類型的聚合物，聚合物鏈?zhǔn)蔷o密交聯(lián)的，這些化學(xué)交聯(lián)使熔化變得不可能。一旦材料硬化，就無(wú)法再進(jìn)行整形。
而對(duì)于熱塑性聚合物，例如PET或聚烯烴，情況并非如此。它們的聚合物鏈靠得很近，但彼此之間沒(méi)有化學(xué)連接。當(dāng)加熱時(shí)，這些聚合物可以熔化并形成新的形狀。然而，由于缺乏交聯(lián)，它們?cè)诟邷叵碌臋C(jī)械性能通常不如熱固性材料。
Empa與國(guó)際合作伙伴合作開(kāi)發(fā)的獨(dú)特環(huán)氧樹(shù)脂在技術(shù)上是一種熱固性聚合物，但與其他熱固性樹(shù)脂不同，它可以像熱塑性聚合物一樣重塑。其關(guān)鍵是將膦酸酯類中一種非常特殊的功能分子添加到新的樹(shù)脂基體中?！拔覀冏畛鹾铣蛇@種分子作為阻燃劑，”這項(xiàng)技術(shù)的共同發(fā)明人、Empa科學(xué)家Wenyu Wu Klingler說(shuō)。然而，分子與環(huán)氧樹(shù)脂的聚合物鏈形成的鍵是動(dòng)態(tài)的，并且在某些條件下可以斷裂。這放松了聚合物鏈的交聯(lián)，使得它們可以被熔化和重塑。
這種材料，也被稱為玻璃化聚合物，目前該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了10年左右，被認(rèn)為特別有前景?！叭缃瘢w維增強(qiáng)復(fù)合材料根本不可回收，除非在非常惡劣的條件下，這會(huì)損壞回收的纖維，”Wenyu Wu Klingler解釋道?！耙坏┧鼈冞_(dá)到使用壽命，就會(huì)被焚燒或在垃圾填埋場(chǎng)處理。有了這種技術(shù)，它們將有可能首次重新進(jìn)入流通?！?/span>
“我們對(duì)未來(lái)的愿景，”小組組長(zhǎng)Sabyasachi Gaan補(bǔ)充道，“是一種復(fù)合材料，其中纖維和樹(shù)脂基體都可以完全分離和重復(fù)使用?！毖芯咳藛T特別看到了碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧的機(jī)會(huì)，因?yàn)樗鼈兺ǔＳ糜陲w機(jī)、火車、船只、汽車、自行車等的制造。他解釋說(shuō)：“碳纖維的生產(chǎn)需要大量的能源，并釋放出大量的二氧化碳。”?！叭绻覀兡芑厥账鼈儯鼈兊沫h(huán)境足跡會(huì)好得多，價(jià)格也會(huì)低得多。”此外，回收與基材聚合物（例如環(huán)氧樹(shù)脂）相連的磷等有價(jià)值的元素也是可能的。
新型環(huán)氧樹(shù)脂由于其磷含量而具有阻燃性，如未經(jīng)處理的MDF樣品（左）與涂有新型聚合物的樣品相比的燃燒試驗(yàn)
熱固性材料通常不可能修復(fù)，但新型環(huán)氧材料上的切口可以通過(guò)加熱和加壓來(lái)修復(fù)
在樹(shù)脂基體中加入膦酸酯可以使新的環(huán)氧樹(shù)脂在某些條件下熔化并重塑
纖維增強(qiáng)復(fù)合材料并不是這種新型聚合物的唯一應(yīng)用。例如，它可以用于生產(chǎn)木地板環(huán)氧涂料，作為一種透明、耐腐蝕的涂層，其又具有良好的阻燃性能，并且可以用少量的壓力和熱量“治愈”劃痕和凹痕。
Gaan解釋道：“我們沒(méi)有開(kāi)發(fā)出一種特定用途的材料，而是打開(kāi)了一個(gè)功能工具箱。阻燃性、可回收性和可修復(fù)性是既定的。我們可以根據(jù)預(yù)期用途優(yōu)化所有其他性能?！崩?，他說(shuō)，流動(dòng)特性對(duì)于纖維增強(qiáng)高環(huán)氧的生產(chǎn)尤為重要，而戶外木材涂料應(yīng)該具有耐候性，新型的環(huán)氧樹(shù)脂都可以定制實(shí)現(xiàn)。
為了追求這種材料的這些和其他應(yīng)用，研究人員現(xiàn)在正在尋找工業(yè)合作伙伴。Empa看好該材料的商業(yè)機(jī)會(huì)，除了所有其他有利的性能外，改性環(huán)氧聚合物也便宜且易于制造。