环氧复合材料也能“拆开回收”？Empa开发可解构阻燃环氧夹芯材料

环氧树脂之所以在复合材料行业如此重要，很大程度上来自它固化后的“不可逆”。

树脂经过固化形成高度交联的三维网络，把玻璃纤维、碳纤维、芳纶蜂窝以及其他材料牢固结合在一起，使复合材料能够获得稳定的结构性能、耐热性和尺寸稳定性。

但同一个特点也带来了回收难题。

当飞机、轨道交通车辆或者其他复合材料部件结束使用寿命以后，原本帮助结构保持完整的环氧树脂，反而成为材料分离的障碍。

瑞士联邦材料科学与技术研究所Empa与特种化学品公司Elantas正在尝试改变这种关系。

双方开发了一种加入含磷反应型添加剂的环氧体系，使固化后的热固性网络在特定条件下能够发生重新排列，并在热和适当溶剂作用下实现复合材料结构的拆解。

在最新项目中，研究团队已经将这一化学体系用于航空和轨道交通内饰常见的夹芯复合材料，并成功分离出芳纶蜂窝芯材以及织物增强材料。

真正值得注意的是：

研究人员并不是简单地把复合材料粉碎成低价值填料，而是在尝试让原本永久粘结在一起的不同高价值材料重新分开。

环氧树脂最大的优点，也正是回收时最大的困难

传统环氧树脂属于热固性聚合物。

固化过程中，树脂内部形成高度交联的分子网络。

这也是环氧体系能够表现出较好机械性能、耐热性以及尺寸稳定性的基础。

但热固性树脂与热塑性塑料存在一个根本区别。

热塑性材料加热后可以软化甚至重新流动，而传统热固性环氧一旦完成交联，继续升温通常不会重新熔融，而是在更高温度下逐渐发生降解。

因此，对于由多种材料组成的复合结构来说，问题并不仅仅是“环氧树脂自己怎么回收”。

更加困难的是：

如何把被环氧树脂牢牢固定在一起的增强纤维、蜂窝芯材以及其他高价值材料重新分离出来。

Empa指出，含环氧树脂的复合材料在使用寿命结束后，目前经常面临焚烧或者填埋等处理路径。

研究对象是一种典型的复合材料夹芯结构

此次Empa和Elantas并不是只研究一块纯环氧树脂试样。

研究人员把材料体系应用到一种与飞机和列车内饰相关的夹芯复合结构中，其中包括客舱地板等应用场景。

这类结构中间是一层轻质芳纶蜂窝。

芳纶属于耐热高性能聚合物家族，Kevlar就是其中较为人熟知的一类材料。

蜂窝芯材上下则铺设多层平纹玻璃纤维或者碳纤维织物。

环氧树脂负责浸润并结合这些增强层，使上下蒙皮与中间蜂窝共同形成一块刚度较高、质量较低的夹芯结构。

在正常使用阶段，这种牢固结合正是设计所需要的。

问题出现在寿命结束之后。

如果树脂网络无法打开，那么碳纤维、玻璃纤维以及成本较高的芳纶蜂窝都会被锁在完整的复合材料结构内部。

Empa团队此次研究的重点，就是让这种“锁定”变成在特定条件下可以解除的状态。

关键不是让环氧变成热塑性，而是在网络中引入动态键

这项技术的核心是一种由Empa开发的含磷反应型添加剂。

它在环氧树脂生产过程中加入材料体系，并参与后续固化反应。

根据研究团队此前发表的工作，他们将一种反应型bis H-phosphonate化合物引入环氧体系，在固化后的网络中形成含有磷-碳键和磷-氧键的结构。

与普通永久交联网络不同，这种改性体系可以在适当温度和加工条件下发生键交换反应。

也就是说，网络并不是简单“断掉以后报废”，而是部分化学键能够重新组织。

Empa此前的实验显示，在磷含量达到一定水平时，固化后的材料可以进行热机械再加工，其中动态网络可以通过酯交换反应重新排列。

这里需要特别区分一个概念。

这并不意味着该环氧树脂像普通热塑性塑料一样，加热之后就能够自由熔融。

它本质上仍然属于交联聚合物体系。

研究人员实现的是让原本完全固定的交联网络具备一定动态交换能力，从而为后续软化、重塑或者解构提供可能。

从“重新塑形”进一步走到了“拆开整个夹芯结构”

Empa此前的工作更多集中在固化环氧材料能否重新加工。

而在与Elantas开展的新项目中，研究人员把目标进一步推进到完整复合材料结构。

通过加热并使用合适的溶剂，团队使环氧体系发生足够程度的解构，从而把夹芯复合材料重新分成不同组成部分。

其中包括芳纶蜂窝芯材以及织物增强层。

从复合材料回收角度看，这一点比简单证明“树脂能够软化”更加重要。

因为真正的复合材料产品往往并不是单一树脂。

它可能同时包含碳纤维、玻璃纤维、芳纶、芯材以及不同表面层。

如果只能处理树脂，而无法让这些材料彼此分离，实际回收价值依然受到限制。

此次实验说明，动态环氧网络可以被用于解除不同材料之间原本非常稳定的结合。

但目前还不能说“整个环氧夹芯材料已经实现闭环回收”

这一点必须讲清楚。

研究团队目前已经展示了如何拆解夹芯结构，并回收其中的芳纶蜂窝和织物增强材料。

但环氧树脂本身还没有在此次项目中完成完整回收循环。

在解构过程中，树脂进入相应溶液体系。

研究人员表示，从溶液中进一步回收树脂应该也是可能的，并计划在未来工作中解决这一问题。

所以现在更准确的说法是：

该技术已经展示了复合材料解构和增强材料、蜂窝芯材分离能力。

不能直接写成：

“环氧树脂已经100%循环使用。”

也不能说：

“航空夹芯复合材料已经实现完全闭环回收。”

现阶段的关键成果，是让原本难以分离的多材料结构出现了一条可解构路径。

更特殊的是：同一种含磷化学体系还带来了阻燃性能

对于航空和轨道交通材料而言，可回收并不足够。

客舱内部材料还需要满足严格的防火要求。

这也是这项研究比较有意思的地方。

含磷化学体系除了让环氧网络具有动态行为，本身还能够改善材料的阻燃表现。

Empa此前的研究中，当磷含量达到2.5%时，与参考热固性材料相比，锥形量热仪测试中的峰值热释放速率降低了75%，总烟气生成量降低了72.5%。

需要注意的是，这两个数字对应的是团队此前特定配方和特定测试条件下获得的数据。

不能直接理解为：

所有采用这种技术的环氧复合材料都一定能够降低75%的热释放。

同样，也不能把这一数据直接换算成某种飞机部件最终的火灾安全等级。

它证明的是，在研究配方中，引入磷能够显著改变材料在燃烧测试中的表现。

“可重新加工”和“阻燃”需要不同的磷含量

源资料中还有一个容易被忽略的细节。

根据Empa此前的实验，实现有效重新加工和回收，需要磷含量高于5%。

而前面提到的阻燃测试数据，对应的是2.5%磷含量配方。

这说明这两个性能并不能简单理解成“加一点磷，同时全部达到最佳状态”。

研究人员需要在材料体系中平衡多个目标。

Empa研究员Sabyasachi Gaan也指出，当改变材料使其获得阻燃性能时，往往会同时改变其他性能。

这正是航空材料开发的难点。

最终材料不能只满足一个指标。

它需要同时面对机械性能、轻量化、耐久性、阻燃性以及加工要求。

如果为了回收性而明显牺牲原有机械性能或者防火性能，那么这种材料同样很难进入实际应用。

Empa称新复合材料能够满足所需防火要求

根据Empa的说法，与Elantas开发的这种复合材料符合所需要的防火安全规定，同时保留了与传统环氧材料接近的有利机械性能。

这里同样需要保留来源边界。

现有资料没有列出具体适用的航空或者铁路防火标准编号，也没有公布完整机械性能数据。

因此，目前可以确认的是Empa对材料性能和法规符合性的表述。

但不能进一步写成材料已经获得某个具体飞机平台认证，或者已经完成商业航空资格认证。

“满足所需防火规定”与“完成某型号飞机材料认证”是两个不同层级的问题。

为什么回收完整碳纤维和芳纶蜂窝，比直接粉碎更有价值？

从材料价值角度看，航空级复合材料并不只是普通塑料。

碳纤维生产本身需要较高的能源投入。

芳纶蜂窝也是经过专门设计和制造的工程材料。

如果一个使用寿命结束的夹芯板只能整体粉碎或者焚烧，那么其中原本具有较高工程价值的材料很难继续以原有形式发挥价值。

因此，复合材料回收一直存在一个重要目标：

尽可能保持增强材料的完整性。

这也是此次Empa研究的价值所在。

它不是首先把结构破坏成粉末，再寻找低等级用途，而是尝试从胶粘体系入手，让材料之间能够重新分离。

如果未来这种方法能够规模化，并且回收后的纤维和蜂窝仍能满足合适的再利用要求，那么它可能改变部分热固性复合材料的寿命终结处理方式。

但目前资料并没有公布回收后碳纤维、玻璃纤维或芳纶蜂窝的详细性能保持率，因此还不能判断它们能够重新进入什么等级的应用。

这种思路实际上改变了热固性树脂的设计逻辑

传统热固性树脂设计通常强调：

固化以后不要再变化。

这也是环氧树脂能够长期保持结构稳定的重要原因。

而动态网络提出的是另一种材料设计思路。

在服役环境中，材料仍然需要保持稳定。

但当产品结束寿命后，在特定温度、溶剂或其他预设条件作用下，网络又需要能够发生重新排列或者解构。

换句话说：

不是让材料在使用过程中变得“不稳定”。

而是尝试让这种稳定性变得“可控地解除”。

这也是可回收热固性复合材料研究中非常关键的一条路线。

真正困难的部分，就是如何确保这种可解构能力不会影响正常服役所需要的机械、热和耐久性能。

对连续纤维复合材料尤其有意义

这种技术对于连续纤维增强复合材料具有特别现实的意义。

连续碳纤维和玻璃纤维的价值，很大程度上来自纤维连续性以及有序排列。

如果回收过程只能通过强烈机械粉碎，把长纤维变成短纤维甚至粉末，那么原材料原有的结构价值会明显下降。

如果能够通过树脂化学体系把增强体从基体中较完整地释放出来，则可能提供另一种处理方向。

此次项目使用的是玻璃纤维或碳纤维织物与芳纶蜂窝组成的夹芯结构，因此它展示的不只是单一树脂回收问题，而是连续纤维增强层与芯材之间的材料解构问题。

对于航空、轨道交通、船舶、风电以及其他大量使用热固性连续纤维复合材料的领域，这种思路具有更广泛的研究意义。

不过，不同复合材料使用的树脂、纤维、芯材、胶接方式和表面处理完全不同。

因此，目前不能根据这一实验直接判断同一种体系能够无修改地适用于所有环氧复合材料。

从飞机内饰继续走向能源和建筑领域

Empa已经在研究这种可回收阻燃聚合物体系在能源和建筑领域的应用。

理论上的应用范围也不局限于航空。

环氧基纤维增强复合材料还广泛存在于汽车、铁路、船舶、风电以及其他轻量化结构中。

但不同市场的要求并不相同。

飞机客舱尤其关注阻燃、烟气、重量以及航空材料资格验证。

风电叶片面对的则是大型结构、长期疲劳和户外环境。

汽车更加关注生产节拍和成本。

建筑材料又有自己的防火和耐久要求。

所以这种动态环氧化学体系未来能否进入不同市场，仍然需要针对具体产品和制造体系重新验证。

下一道门槛不是实验室化学，而是规模化

目前Empa和Elantas正在继续扩大复合材料生产以及回收工艺。

这可能才是下一阶段最关键的问题。

实验室能够将一块夹芯样品成功拆开，并不意味着工业规模航空夹芯板已经可以经济地回收。

真正走向产业化，还需要回答很多问题。

例如，溶剂体系具体如何管理和循环？

大型部件需要多长时间完成解构？

不同厚度和面积的复合材料处理是否一致？

回收后的纤维和蜂窝性能保持多少？

树脂能否真正从溶液中回收并再次使用？

整个过程需要多少能源？

重复循环以后动态网络性能如何变化？

规模化处理成本能否与现有废弃物处理路线竞争？

这些关键数据目前并没有在现有资料中披露。

因此，这项技术目前更适合被理解为：

已经证明一种可行的材料化学和复合材料解构路径，但仍处于进一步规模化开发阶段。

真正的变化，是从“怎么处理废料”转向“材料一开始就为拆解而设计”

传统复合材料回收通常发生在产品生命结束以后。

产品已经做出来了。

树脂已经永久交联了。

然后再想办法粉碎、热解或者通过化学方式处理。

Empa这项研究代表的是另一种思路：

在树脂配方设计阶段，就把未来拆解能力加入材料体系。

这意味着回收不再只是废弃阶段的后处理问题，而开始进入材料设计本身。

对于热固性复合材料而言，这可能是一个重要方向。

因为真正难回收的并不是“碳纤维本身”。

很多时候，困难在于：

如何解除把所有高价值材料牢牢结合在一起的交联树脂网络。

Empa和Elantas的工作并没有证明这一问题已经完全解决。

树脂自身回收、工业规模放大、长期材料性能以及实际经济性仍然需要继续验证。

但它已经展示了一件过去对传统环氧来说很困难的事情：

一块已经固化的碳纤维或玻纤增强环氧夹芯结构，可以在预设条件下重新被拆开。

对热固性复合材料而言，这种“使用时保持稳定，寿命结束后能够解构”的设计逻辑，可能比单纯讨论如何处理废弃复合材料更值得关注。