选择性断键降解回收纤维增强热固性树脂复合材料研究

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随着人们环境保护意识的增强、资源可持续发展的推进、市场对废旧资源回收利用需求的增长,纤维增强热固性树脂复合材料(FRP)的再资源化利用受到了广泛关注。玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料(俗称玻璃钢)和碳纤维增强环氧树脂复合材料被广泛应用于航空航天、交通工具、建筑材料和娱乐设施等各个领域,极大提高了我们的物质生活水平,但是由于相关产品在制造过程中会产生大量的边角料,而且在使用过程中会产生大量的废旧产品,这些人工合成的废料势必造成严重的生态和环境问题。目前,热固性树脂制品边角料及其废旧产品的降解回收方法主要包括机械回收、热处理和化学回收,其中,化学回收方法是目前最有前景的方法。针对目前化学回收方法反应条件苛刻、降解产物复杂等不足,本文采用了较为温和的金属离子配位催化、定向降解热固性树脂材料的方法,利用配位不饱和或者弱配位的金属离子高效、绿色、经济地催化高分子材料中碳杂原子键选择性断裂,而将附加值高、结构明确的碳骨架结构保留在降解产物中,实现了纤维增强热固性树脂复合材料的可控降解回收。本文首先发展了不饱和聚酯树脂和环氧树脂高效绿色的降解技术,并在此基础上对其降解机理进行了重点研究;最后,对聚氨酯的降解回收进行了初步探索。实验结果表明:  1.水相体系中常规的酸碱都可以催化酯键的断裂,但即使在较高温度下(200℃)也不能将不饱和聚酯树脂有效降解,说明不饱和聚酯树脂的降解关键在于催化剂在体系中的传质过程;冰乙酸对不饱和聚酯树脂具有良好的溶胀作用,有利于催化剂在不饱和聚酯树脂内部的传质;同时发现,在冰乙酸作为溶剂的催化体系中,氯化铝的催化效果要明显优于其他金属盐类催化剂;在氯化铝/冰乙酸降解体系中,不饱和聚酯树脂可以完全降解的最优条件为10 wt%氯化铝/冰乙酸体系,温度180℃,降解反应12 h;铝离子催化酯键断裂的本质是其与酯键的双键氧进行络合,诱导羰基上的电子发生偏移,从而发生酰基交换反应;反应的高选择性保证碳骨架结构保持完整,从而实现了不饱和聚酯树脂的定向降解;此工艺适用于玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料的降解回收,回收得到的玻璃纤维强度高达原始纤维的96%。  2.氯化铝/冰乙酸体系对环氧树脂同样具有良好的降解效果。在氯化铝/冰乙酸降解体系中,环氧树脂能完全降解的最优条件为15 wt%氯化铝/冰乙酸,温度180℃,降解反应6h。机理研究表明铝离子通过对碳氮键的配位催化作用,导致了碳氮键的选择性断裂,从而实现了环氧树脂的定向降解。在环氧树脂降解的最优反应条件下,碳纤维增强环氧树脂复合材料同样可以高效降解,回收得到碳纤维的强度可达到原丝纤维的97.77%。  3.水相体系可以高效、温和地催化聚氨酯降解,其催化反应的本质是氨酯键和脲键的选择性断裂;聚醚型聚氨酯降解后得到的聚四氢呋喃可在无溶剂体系下高效降解为四氢呋喃;体系水分含量对于聚四氢呋喃的催化降解具有关键性影响;反应分离一体化工艺可以实现聚四氢呋喃降解生成四氢呋喃的收率达95%。  综上所述,通过选择性地断裂化学键,实现了热固性树脂的定向降解,同时实现了纤维增强热固性树脂复合材料的降解回收,为废旧塑料的降解回收提供了一条经济环保的途径。
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