γ射线是一种高新的固废物污染治理手段，具有能耗低、无二次污染、干净清洁、安全可靠等优点，因此发展前景广阔。然而，γ射线辐照除引发降解反应外，还能触发交联、聚合等反应，大幅调减交联聚合反应的发生几率是实现热固性材料可控降解的重大挑战。

 

 

图1 含辐射敏感化学键-苯基亚胺共轭N-N键和S-S键的可降解环氧树脂结构设计示意图

 

近期，哈尔滨工业大学化工与化学学院黄玉东教授团队制备了一种含有苯基亚胺共轭N-N键和S-S键的辐照敏感环氧树脂EP-DESN（图1），材料可在10 kGy的剂量下实现快速降解（图2）。高效降解行为可归因于苯基亚胺共轭N-N键和S-S键的级联协同作用。苯基亚胺共轭结构可对辐照诱导N-N键断裂产生的自由基碎片起到稳定化作用，从而抑制交联与重组反应。此外，苯基亚胺共轭N-N键断裂产生的苯基-亚胺基共轭自由基可进一步裂解活性的S-S键，促使树脂发生持续的降解反应，最大限度地提升降解效率。与此同时，EP-DESN表现出优异的热性能和化学稳定性，可与一些传统高性能环氧树脂相媲美。以EP-DESN为基体，制备了可降解环氧树脂碳纤维复合材料。通过辐照诱导环氧树脂基体的降解实现高价值碳纤维的无损回收（图3和图4），从而促进了循环碳纤维经济的概念。这项工作提出的基于苯基亚胺共轭N-N键和S-S键的辐照降解环氧树脂的新策略，对制备其他辐照可降解热固性材料具有启示作用。该工作以“Complete Degradation of a High-Performance Epoxy Thermoset Enabled by γ‑ray-Sensitive Motifs Based on the Cascaded Synergetic Strategy”为题发表在《Chemistry of Materials》。文章第一作者是哈尔滨工业大学化工与化学学院博士生许宁觌，通讯作者为哈尔滨工业大学化工与化学学院黄玉东教授和胡桢教授。该研究得到国家自然科学基金委的支持。

 

 

图2 辐射敏感环氧树脂EP-DESN的降解行为

  

 

图3 环氧树脂碳纤维复合材料降解过程的实物图和SEM图像

 

 

图4 回收碳纤维的力学性能、热性能与化学结构

 

该工作是团队近期关于可降解热固性树脂及其复合材料相关研究的最新进展之一。作为一类在航空航天、交通运输、风能产业等领域具有广泛应用前景的高性能热固性材料，材料降解回收的研究将改变人们对热固性复合材料不可循环回收利用的刻板印象，有望推动热固性树脂复合材料产业的可持续发展，对于节约能源、保护环境等具有重要意义。更多关于热固性树脂基复合材料降解回收的研究工作可参见（Mater. Horizons,9,1495-1502; ACS Sustainable Chem. Eng., 2020,8,1943–1953; Compos.Sci.Technol., 2021，203，108589-108596；Polym. Chem., 2022, 10.1039/D2PY00200K; ACS Appl. Polym. Mater., 2022, 4, 999–1009）。

 

原文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c00728