生物基胺固化的可降解、可再加工環(huán)氧樹脂的合成及性能

環(huán)氧樹脂及其碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，被大量用于運動器械、交通運輸、航空航天等領(lǐng)域。但是環(huán)氧樹脂高度交聯(lián)的共價網(wǎng)絡(luò)限制了高價值增強(qiáng)材料的回收利用，因此，開發(fā)新型可降解、可再加工環(huán)氧樹脂作為碳纖維復(fù)合材料的樹脂基體可以有效促進(jìn)碳纖維的回收利用，減少廢棄復(fù)合材料對環(huán)境的污染。螺環(huán)縮醛作為一種縮醛結(jié)構(gòu)，具有剛性的化學(xué)結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的耐溶劑性，在溫和酸性條件下可以發(fā)生水解生成醇和醛基，被廣泛用于合成可溫和降解的環(huán)氧樹脂。在本課題組之前的工作中，發(fā)掘了螺環(huán)縮醛結(jié)構(gòu)優(yōu)異的力學(xué)性能和降解性能。為此，將一種生物基來源的可降解β-羥基胺〔季戊四醇雙縮水香草醛（2-羥丙基）胺，DAPVD〕水甘油酯（DGECA）固化成型得到一種新型的生物基環(huán)氧樹脂DGECA-DAPVD，使用應(yīng)力松弛測試對其酯交換反應(yīng)活性進(jìn)行了詳細(xì)表征，并采用熱修復(fù)和熱重塑實驗對其再加工性能進(jìn)行了實物演示。此外，通過降解實驗探究了以DGECA-DAPVD為基體的碳纖維復(fù)合材料在溫和條件下的降解過程，并對回收得到的碳纖維表面形貌進(jìn)行了表征。這種高生物基含量的可降解環(huán)氧樹脂對實現(xiàn)樹脂及其復(fù)合材料的綠色可持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。摘要：以縮水甘油醚季戊四醇雙縮香草醛環(huán)氧樹脂（DEPVD）為原料，通過胺解反應(yīng)得到生物基可降解胺（DAPVD），DAPVD與樟腦酸縮水甘油酯（DGECA）固化得到環(huán)氧樹脂DGECA-DAPVD。利用FTIR對DAPVD的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，通過動態(tài)熱機(jī)械分析儀、拉伸測試機(jī)、再加工實驗、降解實驗、熱重分析儀對DGECA-DAPVD的性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，DGECA-DAPVD具有較好的熱機(jī)械性能、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為91℃，拉伸強(qiáng)度為(72.6±5.1)MPa，楊氏模量為(2493±58)MPa。固化劑中含有的螺環(huán)縮醛結(jié)構(gòu)賦予了DGECA-DAPVD可降解的特性，而固化反應(yīng)中原位形成的叔胺結(jié)構(gòu)促進(jìn)了鄰位活性羥基參與酯交換反應(yīng)，因此再加工后DGECA-DAPVD可保留75%的拉伸強(qiáng)度（190℃、10MPa下熱壓1h），DGECA-DAPVD及其碳纖維復(fù)合材料在H+濃度為0.1mol/L的乙醇溶液中50℃下處理48h后，均可完全降解，高價值的碳纖維可以完全回收。結(jié)論（1）通過對生物基DEPVD的胺解得到生物基胺DAPVD，DAPVD與DGECA固化得到生物基可降解環(huán)氧樹脂DGECA-DAPVD。（2）DMA、拉伸測試機(jī)、TGA的測試結(jié)果表明，DGECA-DAPVD具有較好的熱機(jī)械性能、力學(xué)性能及熱穩(wěn)定性，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為91℃，拉伸強(qiáng)度為(72.6±5.1)MPa，楊氏模量為(2493±58)MPa，Td5%為288℃，R600為18.9%。（3）再加工和降解實驗結(jié)果表明，DGECA-DAPVD具有優(yōu)異的再加工性能和降解性能，再加工后可保留75%的拉伸強(qiáng)度（190℃、10MPa下熱壓1h），DGECA-DAPVD及其碳纖維復(fù)合材料均可以在H+濃度為0.1mol/L的乙醇溶液中完全降解（處理溫度50℃，時間48h），回收得到的碳纖維表面形貌幾乎沒有受損。（4）DGECA-DAPVD具有生物基原料來源、機(jī)械性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性良好的特點，同時還表現(xiàn)出可再加工和可降解的功能，