NCM封面文章|中國科學院山西煤炭化學研究所侯相林團隊：炭纖維增強環氧樹脂復合材料的化學回收與再利用研究進展

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炭纖維增強環氧樹脂復合材料是一種以環氧樹脂為基體、炭纖維為增強材料的復合材料，其具有高比強度、低密度、高剛度等特點，被廣泛應用于航空航天、風力發電、體育用品、汽車配件、橋梁加固等領域。炭纖維及其環氧樹脂復合材料生產和需求的快速增長導致其廢棄物規模逐年上升。如果不采取任何回收處理措施，到2050年，炭纖維增強環氧樹脂復合材料廢棄物將累計達到98.3萬噸。因此，迫切需要探索回收炭纖維增強環氧樹脂復合材料的方法，包括回收昂貴的炭纖維和基體環氧樹脂。而固化后的環氧樹脂具有高度交聯的三維網絡結構，導致這些材料不溶不熔，難以回收。

目前，回收炭纖維增強環氧樹脂復合材料的方法主要包括機械回收、熱處理和化學回收三大類。機械回收是將廢舊復合材料縮小尺寸的過程，粉碎后的復合材料被用作填充或增強材料來增強其他材料。但這種方法不能回收長纖維，且回收產品的價值較低。熱處理技術主要集中在兩種類型，即流化床技術和熱解技術。通常，熱處理在高溫環境下進行，樹脂無法回收，且處理過程中會產生有毒氣體，如CO、NO_x、SO_x等，嚴重污染大氣環境。化學回收是一種比較有前景的方法，在溶劑 (含或不含催化劑)?中將復合材料中的環氧樹脂降解為單體、低聚物或其他物質，并回收高價值炭纖維。

近日，中國科學院山西煤炭化學研究所侯相林研究員課題組在《新型炭材料（中英文）》(New Carbon Materials)上發表了題為“Review of chemical recycling and reusing of carbon fiber reinforced epoxy resin composites”的綜述文章，重點總結了炭纖維增強環氧樹脂復合材料化學回收方法的研究進展，主要包括超臨界和亞臨界流體、強氧化溶劑解、醇解、電化學回收、催化降解等方法（圖1）。此外，在環氧樹脂中插入可逆化學鍵為熱固性環氧樹脂的循環利用提供了機會。因此，還簡要介紹了可回收熱固性環氧樹脂的合成及解聚機理。最后，提出了化學回收炭纖維增強環氧樹脂復合材料和制備高性能可回收環氧樹脂材料可能的發展方向。

圖1?圖文摘要

在溫和條件下的催化降解被認為是回收廢棄炭纖維增強環氧樹脂復合材料的最佳解決方案，既可以回收炭纖維，又可以得到高附加值的化學品。團隊提出了利用高濃度氯化鋅/水催化體系，通過選擇性活化C-N鍵，實現熱固性環氧樹脂可控催化降解的回收。在高濃度氯化鋅水溶液中，不完全配位的鋅離子與環氧樹脂中C-N鍵的氮原子作用，活化C-N鍵并選擇性斷裂。同時發現，利用二氯甲烷或冰乙酸等溶劑對熱固性環氧樹脂進行溶脹預處理，可以顯著提高環氧樹脂的降解效率。回收炭纖維保持良好的性能（圖2）。多次循環實驗表明只需補充適量水和少量催化劑，其催化降解效果沒有明顯變化。未來炭纖維增強環氧樹脂復合材料的回收，不僅要保持原炭纖維的力學性能和長度，還要實現基體環氧樹脂的高值化回收利用，這將大大提高炭纖維增強環氧樹脂復合材料回收的技術經濟性和商業價值。

圖2?(a) CFRCs廢棄物和(b) 回收炭纖維的照片，(c) 原炭纖維和(d) 回收炭纖維的掃描電鏡圖。

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.

期刊主頁：http://xxtcl.sxicc.ac.cn

ScienceDirect主頁：

https://www.sciencedirect.com/journal/new-carbon-materials/

通訊作者簡介：

侯相林，中國科學院山西煤炭化學研究所山西省生物煉制工程中心主任，研究員，博士生導師。清華大學學士，中國科學院博士。作為課題負責人承擔973子課題、國家重點研發子課題、山西省科技重大專項、國家煙草專賣局科技攻關等科技項目，同時承擔熱固樹脂化學解聚、亞麻深加工、沙棘高值化利用等橫向課題多項。作為通訊作者在Applied Catalysis B，ACS Catalysis， Green Chem.等發表期刊論文近百篇，其中一區論文20余篇，授權國家發明專利百余件，合作出版《復合材料回收再利用》學術專著，獲省部級科技獎勵三項。培養指導博士、碩士研究生20余名，其中多人獲得國家獎學金，寶鋼獎學金等。現任中國化工學會超臨界流體技術委員會委員，中國再生資源產業技術創新戰略聯盟專家委員會委員，SAMPE學會中國大陸總會復合材料回收再利用專業委員會委員，山西省三晉英才拔尖骨干人才。曾任山西煤化所科技開發處處長，揚州碳纖維工程技術中心主任。

王玉琪，中國科學院山西煤炭化學研究所副研究員，碩士生導師。2016年畢業于中國科學院大學（山西煤炭化學研究所）獲博士學位。工作期間入選中科院“青促會”和山西省“三晉英才”。主要開展廢舊高分子材料循環利用及資源化等工作。目前，作為第一作者或通訊作者在Applied Catalysis B: Environmental, Composites Part B: Engineering, Composites Science and Technology, Green Chemistry等國際期刊上發表論文10余篇，授權發明專利10余項。

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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影響因子：3.7（2021年度）

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