近期，我室在《Angewandte Chemie International Edition》上发表题为“Neighboring Molecular Engineering in Diels-Alder Chemistry Enabling Easily Recyclable Carbon Fiber Reinforced Composites”的研究论文。我室2020级博士研究生古宋为论文第一作者，陈力教授为通讯作者。
【研究背景】
碳纤维增强聚合物树脂基复合材料（CFRPCs）因其高比强度/模量、轻质、抗疲劳特性、耐高温以及易于大面积整体成型等特点，在航空航天、汽车工业以及风电能源等领域得到广泛应用。随着CFRPCs需求量的增加，循环利用以减轻环境影响、减少资源浪费并实现循环经济已成为备受关注的课题。近年来，动态共价化学的发展为热固性聚合物及其CFRPCs的循环回收提供了可行方案。然而，引入动态共价键往往以牺牲树脂的热性能为代价，同时还存在回收效率、力学性能和火安全性能难以兼顾的问题，难以满足实际应用领域的性能要求。因此，在开发可回收且高性能的热固性树脂及其CFRPCs方面仍面临巨大挑战。
【主要内容】
鉴于此，本研究提出了一种低旋转能垒（Er）磷酸酯间隔基驱动的Diels-Alder（DA）加成反应的新策略，并以此开发了具有高回收效率、优异热/力学性能和高火安全性能的环氧树脂及其CFRPCs。在这策略中，低Er的磷酸酯可以提高链段运动能力和DA交换反应速率，从而促进网络拓扑重排，使树脂基体具有出色的自修复性能和再加工效率，同时又能保持较高的力学性能（保留率达到94.5%）。解决了动态共价交联聚合物的力学性能和再加工效率之间的矛盾。此外，CFRPCs表现出优异的层间修复能力，两次循环后仍保持95%以上的修复效率。在逆DA反应温度以上，DA交联网络具有优异的动态可逆特性，有效降低了基体的交联密度，有利于乙二醇在基体中的扩散，并促使乙二醇与树脂基体的交联骨架发生酯交换反应，实现了碳纤维的快速且无损回收。另一方面，含磷单元赋予了树脂基体出色的火安全性能。在燃烧过程中，树脂基体展现出极低的热和烟释放。与参照体系相比，其峰值热释放速率、总热释放、总烟产生量和最大烟密度值分别下降了78.9%、57.4%、77.2%和69.0%以上。这些结果优于目前报道的大多数含磷本征阻燃环氧树脂体系。
上述研究策略为理解和丰富DA化学的分子结构内涵提供了重要参考。同时，它也为可回收高性能热固性树脂基碳纤维复合材料的分子结构设计与性能定制提供了有效的研究思路。这对于满足实际应用需求和实现循环经济目标具有重要的推动作用。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202312638
