新型可回收分级碳纤维/环氧复合材料：利用Elium实现纤维长度与取向的完整保留

《Polymer Composites》：Novel Recyclable Hierarchical Carbon Fiber/Epoxy Composites: Preserving Fiber Length and Orientation Using Elium

本文提出了一种创新的分级复合材料设计策略，通过将原始碳纤维封装在不可溶的环氧基体（初级单元）中，并嵌入可溶于丙酮的热塑性次级基体Elium，实现了复合材料在回收过程中纤维长度、取向及体积分数的完整保留。研究证实，经三次回收循环后，层压板仍能保持环氧基复合材料60%–90%的力学性能，且纤维-基体界面完整性良好。该工作为高性能聚合物基复合材料（PMC）的循环经济模式提供了概念验证，突破了传统回收方法中纤维长度与取向损失的瓶颈。

　　

摘要

当前聚合物基复合材料（PMC）的回收方法通常导致碳纤维断裂且失去取向，限制了其在高强度场景的应用。本研究设计了一种分级复合材料结构，通过将原始碳纤维封装于不溶性环氧基体中形成带状初级单元，再嵌入可回收次级基体Elium（一种机械性能媲美环氧树脂的热塑性聚合物），实现了纤维长度与取向在回收过程中的完整保留。回收时，通过丙酮溶解Elium基体即可回收完整的初级单元，用于重构新复合材料。经三次循环实验表明，Elium基分层复合材料的力学性能可维持环氧基材料的60%–90%，且纤维-基体界面经单纤维顶出测试验证保持稳定。

1 引言

随着航空航天、汽车等领域对轻量化材料需求的增长，碳纤维增强聚合物（CFRP）因其高比强度、高刚度等优势广泛应用。然而，碳纤维生产能耗极高（180–740 MJ/kg），且传统热固性复合材料难以回收。现有回收技术（如热解或溶剂分解）会破坏纤维长度与取向，导致再生纤维仅适用于中强度场景。本研究提出以分级结构实现纤维的“闭环回收”，其中初级环氧基单元保护纤维免受化学侵蚀，次级可溶基体Elium提供结构整合与可回收性。该设计兼顾力学性能与循环经济潜力。

2 材料

2.1 单向碳纤维复合板

采用商用单向碳纤维/环氧预浸板（CG tec公司），纤维方向与带材长度一致。关键要求是初级环氧基体耐丙酮腐蚀，以保护纤维在回收过程中不受损。

2.2 Elium树脂

选用Arkema公司的Elium 191 SA（甲基丙烯酸酯类热塑性树脂），以2.5 wt% Butanox M50作为引发剂，室温聚合24小时，其机械性能与环氧树脂相当且可溶于丙酮。

2.3 环氧树脂

对比组使用Westlake公司的Epikote RIMR-135/Epikure RIMH-137环氧体系（树脂:固化剂=10:3），室温固化48小时（未后固化以避免影响初级单元性能）。

3 实验方法

3.1 丙酮对CFRP带材的影响

将带材浸泡于丙酮66小时（模拟单次回收），干燥后通过光学显微镜和动态力学分析（DMA）评估表面形貌与模量变化。结果显示，即使经三次循环，纤维仍完全嵌入基体，表面粗糙度（Ra、Rz）无显著变化，但DMA显示储能模量（E′）降低约10%，可能与表层微量侵蚀有关。

3.2 剪切搭接测试

按DIN EN 1465标准测试Elium与环氧树脂的粘结强度。Elium样本的剪切强度（21–24 MPa）与环氧（19 MPa）相当，且回收未导致性能下降，表明Elium粘结性能优异。

3.3 分层复合材料制备

将初级带材（0°/90°/90°/0°）铺层后注入环氧或Elium次级基体，制备尺寸为420 × 420 × 2.8 mm的层压板。Elium基板需真空固化以避免单体挥发。

3.4 力学测试样本设计

从层压板中切割样本进行短梁弯曲（评估层间剪切强度）、±45°拉伸（面内剪切性能）和单纤维顶出测试（界面剪切强度）。

3.5 短梁弯曲测试

按DIN EN 2563标准调整跨距（14.1 mm），计算层间剪切强度（ILSS）。环氧基样本ILSS为45 MPa（0°层）和28 MPa（90°层），而Elium基样本首次回收（R1）后提升至21–24 MPa，表明丙酮浸泡可能改善Elium与带材的粘结。

3.6 ±45°拉伸测试

依据EN ISO 14129标准，Elium基样本的面内剪切强度为环氧的65%–75%，但剪切模量（约7 GPa）与环氧无显著差异，说明刚度未受回收影响。

3.7 单纤维顶出测试

通过自制顶出装置测量纤维-基体界面剪切强度（IFSS）。Elium基样本的IFSS（36–55 MPa）高于环氧样本（38 MPa），但随回收次数增加略有下降，表明Elium可能对初级界面产生轻微影响。

4 结果与讨论

4.1 丙酮浸泡后的CFRP带材分析

显微镜与粗糙度测试证实纤维取向与长度完全保留，但DMA显示模量小幅下降，归因于表层基体微量溶解。玻璃化转变温度（T_g）从126°C（R0）升至134°C（R3），可能与干燥过程促进基体后固化有关。

4.2 层间剪切性能

Elium基复合材料的ILSS为环氧的60%，但回收后性能稳定。失效模式分析显示，环氧样本的破坏受纤维取向影响显著，而Elium样本层间剥离更明显，可能与Elium和纤维表层的相容性有关。

4.3 面内剪切性能

Elium样本的面内剪切强度为环氧的65%–75%，模量无差异，证实其弹性行为与环氧相当。

4.4 纤维-基体界面稳定性

顶出测试表明，Elium作为次级基体未损害初级环氧与纤维的界面，但IFSS数据离散度较大，需进一步研究界面相互作用机制。

5 结论

分级复合材料结构成功实现了碳纤维的多次回收利用，且纤维长度、取向及界面完整性得到保持。Elium作为可回收次级基体虽力学性能略低于环氧树脂，但为复合材料的循环经济提供了可行路径。未来可通过优化初级单元形状、表面处理或选用Vitrimers等新型可回收树脂进一步提升性能。