《Advanced Composites and Hybrid Materials》：The construction of controllable dynamic bonds based on dynamic ester linkages and steric hindrance effect for efficient recycling of flame-retardant epoxy-based carbon fiber composites
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研究人员针对环氧碳纤维复合材料阻燃性不足、力学与阻燃性能难以协同优化、以及材料不可回收和再生后性能严重下降三大核心挑战，设计合成了两种具有可控动态键结构的反应型阻燃固化剂D1和D2。基于笼状分子设计，利用磷杂菲（DOPO）基团和多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）实现了磷-硅协同阻燃效应。制备的复合材料CFD1和CFD2在达到UL-94 V0级优异阻燃性能（LOI>48%）的同时，拉伸强度超过3.2 GPa。材料可通过溶液法高效回收，碳纤维回收率高达94.6%，再生材料在保持V0阻燃等级的同时，力学性能保留率达41.3%。该研究为实现高性能、可回收阻燃复合材料的规模化应用提供了新策略。
随着“碳达峰、碳中和”目标的推进，对轻质高强结构材料的需求日益迫切。环氧基碳纤维复合材料以其卓越的比强度和比模量，成为替代传统金属材料的理想选择，广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源汽车等高端制造领域。然而，在通往绿色、可持续未来的道路上，这类明星材料却身陷三重困境。首先，其环氧树脂基体本身易燃，一旦接触火源极易燃烧并释放大量热量和有毒烟气，带来严重的安全隐患。其次，提升阻燃性能的传统方法（如大量添加阻燃剂）往往会严重损害材料的力学性能，如何实现“既强又防火”的协同优化，一直是业界难题。最后，也是最棘手的一点在于，传统热固性环氧树脂一旦固化便形成永久的三维网络结构，无法像热塑性塑料那样熔融重塑，导致含有昂贵碳纤维的复合材料制品在寿命结束后难以回收再利用。通常，只能采用热解或粉碎等破坏性方式处理，不仅过程能耗高、污染大，回收得到的碳纤维长度和性能也严重受损，价值大打折扣。这三大挑战——阻燃性不足、力学与阻燃性能难以兼顾、以及不可回收导致的资源浪费和环境影响——严重制约了环氧碳纤维复合材料的全生命周期绿色化发展。为了破解这些难题，并响应循环经济的号召，一项发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的研究另辟蹊径，从分子设计的源头出发，致力于开发一种集优异阻燃性、高力学性能和高效可回收性于一体的新一代环氧碳纤维复合材料。
研究团队运用了分子结构设计、可控动态键构筑、复合材料原位固化、以及材料回收与性能再评价等一系列关键技术方法。其核心是通过精巧的“笼状分子”设计理念，构建了具有可控动态酯键的反应型阻燃固化剂，并将其用于复合材料的制备。通过极限氧指数、UL-94垂直燃烧、锥形量热、万能材料试验机等多种测试手段，系统评价了复合材料的阻燃性能、热稳定性、力学性能和可回收性。
研究人员巧妙地将具有优异阻燃效能的磷杂菲（DOPO）基团和可形成致密炭层的多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）作为功能单元，通过化学键合的方式引入到固化剂的分子骨架中，以期实现磷-硅协同阻燃效应。更重要的是，他们通过“笼状”空间位阻结构的设计，在分子中构建了“可控的动态酯键”。这种动态键在材料正常服役条件下（如室温）保持稳定，确保材料具备优异的耐久性和力学强度；而在特定的回收条件（如特定溶剂或加热）下，这些动态键又可以发生可逆的断裂与重组，使得原本不溶不熔的环氧三维网络能够被“溶解”或“解聚”，从而将宝贵的碳纤维完整、高效地剥离出来，并实现树脂基体的重塑。
阻燃性能
通过引入D1和D2两种新型固化剂制备的环氧碳纤维复合材料CFD1和CFD2，其阻燃性能得到了质的飞跃。垂直燃烧测试结果显示，两种材料均达到了UL-94标准中的最高阻燃等级——V0级，即离火后能在极短时间内（通常10秒内）自熄，且不产生有焰熔滴。极限氧指数测试进一步量化了其阻燃性，CFD1和CFD2的LOI值分别高达48.2%和49.2%，远高于常规环氧树脂材料（通常约20-25%），意味着它们在氧气浓度接近一半的极端环境下仍能阻止燃烧。锥形量热测试表明，材料的峰值热释放速率和总热释放量显著降低，POSS在燃烧时能促进形成致密、稳定的硅-碳复合炭层，而DOPO基团则在气相和凝聚相发挥阻燃作用，二者协同有效隔绝了热量和氧气的传递，抑制了聚合物的进一步分解。
力学性能
在获得顶级阻燃性能的同时，复合材料的力学性能并未被牺牲，反而实现了协同增强。拉伸测试结果显示，CFD1和CFD2的拉伸强度分别达到了3.27 GPa和3.21 GPa，这一数值与许多未改性环氧碳纤维复合材料的性能相当甚至更优。这表明，通过反应型固化剂将阻燃单元化学键合到交联网络中，避免了物理共混可能导致的界面缺陷和应力集中，POSS的刚性笼状结构也可能对材料起到了一定的增强作用，从而成功解决了阻燃与强韧化难以兼顾的行业痛点。
回收性能与经济环境效益
这项研究最具突破性的成果在于成功实现了复合材料的高效、低成本回收。研究人员采用一种温和的溶液法对使用后的CFD1和CFD2复合材料进行回收处理。在特定条件下，复合材料中的可控动态酯键发生交换反应，使得三维网络解交联，树脂得以溶解，从而完整地剥离出碳纤维。碳纤维的回收率高达94.6%，这意味着绝大部分昂贵的增强体得以保留。对回收的碳纤维进行成本核算，其回收成本仅为每公斤约3.0元人民币，相比生产原生碳纤维的能耗和成本，具有巨大的经济优势。尤为重要的是，对回收过程进行的生命周期评估显示，与生产原生碳纤维相比，该回收过程的温室气体排放量降低了约99.9%，环境效益极其显著。
再生材料性能
将回收的碳纤维与解聚后重聚的树脂再次复合，制备出再生复合材料CFD1-R和CFD2-R。性能测试表明，再生材料依然保持着卓越的阻燃性，UL-94等级维持V0级，LOI值仍超过46.0%。在力学性能方面，CFD1-R和CFD2-R的拉伸强度分别为1.35 GPa和1.31 GPa，这相当于保留了原始材料约41.3%的强度。尽管有部分损失，但这一性能水平已远高于传统热解回收法得到的短切、受损碳纤维所制备的材料，足以满足许多非主承力结构件的二次使用要求，真正实现了高性能材料的闭合循环。
该研究通过精妙的“笼状分子”设计，成功构建了基于动态酯键和空间位阻效应的可控动态键，并以此为核心，创制了兼具优异阻燃性、高力学性能和高效可回收性的新型环氧碳纤维复合材料。研究结论表明，将磷杂菲（DOPO）与多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）通过化学设计集成到固化剂中，确实实现了预期的磷-硅协同阻燃，使复合材料获得UL-94 V0级阻燃和极高的LOI值，同时保持了超过3.2 GPa的高拉伸强度。更重要的是，所构建的可控动态键使得原本不可回收的热固性环氧复合材料能够通过温和的溶液法高效解聚，碳纤维回收率高达94.6%，且回收过程成本低廉、碳排放极低。再生后的材料在维持V0级阻燃性能的同时，仍保有原始材料40%以上的力学强度，验证了该设计策略在实现材料循环利用方面的有效性。这项工作的意义深远，它不仅为解决环氧复合材料领域长期存在的阻燃-力学性能权衡难题和回收困境提供了一个创新性的分子设计思路和材料体系，更推动了高性能复合材料向可设计、可回收的可持续发展方向迈进，为交通、航空等领域的轻量化与绿色化发展提供了切实可行的材料解决方案，具有重要的科学价值和广阔的应用前景。
