米兰官网-加个“活扣”，环氧树脂的“跷跷板难题”破解了—新闻—科学网

于一样平常糊口中，环氧树脂是一种很常见的质料——艺术家们用它建造富厚多彩的装饰品，环氧地坪于工场车间、病院等地也尤其常见，它还有是AB胶的重要质料……

但事实上，环氧树脂的作用远不止在一样平常糊口，尤其是许多高端环氧树脂，今朝被广泛运用在手电机路板封装、风电叶片支撑、飞机机身加固等工业及加工范畴，甚至被称为现代工业的“隐形骨架”。

只不外，这个“隐形支架”其实不完善。

“现实运用中，环氧树脂存于高强度、高耐热性与韧性、可加工性难以统筹的问题，这又被称为‘跷跷板困境’。”接管《中国科学报》采访时，天津年夜学化工学院传授汪怀远说，该问题已经经困扰了相干行业数十年之久。

不久前，汪怀远团队乐成破解了这一难题，研发出兼具耐高温、高强韧与可收受接管特征的新型环氧树脂，并为高端质料绿色化提供相识决方案。

相干结果今朝已经经刊发在《进步前辈质料》。

利弊全因“份子网”

作为航空航天、新能源、电子封装等战略范畴的焦点质料，今朝环氧树脂的全世界市场范围已经经跨越了130亿美元，这一巨年夜的运用市场与其自身优秀的粘接力、机械强度及耐化学性直接相干。

但于这些优秀的机能暗地里，则是其靠传统手腕难以降服的“跷跷板困境”，以和巨年夜的环保威逼。

以风电为例，据论文第一作者、汪怀远团队博士生焦学伟先容，作为风电叶片制造的要害基材，每一年会有约5800吨环氧树脂复合质料因为风电叶片的退役而变为烧毁物。这些烧毁物很难被收受接管使用，却只能依靠填埋或者点火处置惩罚，既华侈资源又污染情况。

环氧树脂的上风及劣势，均与其自身的份子布局有关。

“环氧树脂的份子布局中存于许多活性基团，它们于特定前提下的彼此毗连就会形成一张致密的‘份子网’。”汪怀远注释说，这张网就是让环氧树脂拥有超高机械强度及耐化学性，以和优秀粘结力的要害。

然而，环氧树脂的“跷跷板困境”及环保问题也来自这张“份子网”。

“一方面，‘份子网’越慎密，环氧树脂就越坚固、越耐腐，但这会致使其韧性年夜年夜降低，质料会变患上更脆；反之，降低‘份子网’的密度会晋升质料的韧性及可加工性，但环氧树脂也就再也不坚固。这是一个只能‘二选一’的难题。”汪怀远说。

另外一方面，因为其布局自己的安稳性，“份子网”一旦形成，就犹如被永世胶水粘死，无论用物理还有是化学要领，都很难将其拆解，也就遑论收受接管使用及天然降解了。

“持久以来，人们往往会经由过程添加剂的方式晋升环氧树脂的机能，但因为这些添加剂很难涉及其份子布局，也就致使了‘治标不治本’，很难取患上使人满足的效果。”汪怀远说。

于“死结”中加一个“活结”

“既然传统份子收集布局是一个‘死结’，能不克不及给它加之可断开重连的‘活结’？”这是于颠末多年的摸索后，汪怀远团队想到的一个思绪。

恰是这个思绪，成了破解“跷跷板困境”的钥匙。

焦学伟告诉《中国科学报》，所谓的“活结”，就是一种可逆的“酸碱离子对于”，研究团队将这类离子对于嵌入到传统环氧树脂的刚性收集中，从而形成为了一种新型布局。

于这一布局中，“酸碱离子对于”饰演着两重脚色——既是接收打击能量的“微型减震器”，又是能于高温下启动键位重组的“智能催化剂”。

详细而言，当环氧树脂遭到外部能量打击时，这些“活结”会率先断开并接收能量，防止整个“份子网”的断裂，让质料变患上更坚韧，打破“越硬越脆”的困境；而当需要收受接管使用时，经由过程加热，“活结”就会启动键位重组，原本致密的“份子网”能轻松拆解，既可以从头加工成新环氧树脂质料，也能削减烧毁物污染，从而一举解决“机能”与“环保”两浩劫题。

这一设计看似简朴，实则霸占了诸多技能难关。

“要害是要找到反映的‘均衡点’，既要包管离子对于能有用阐扬作用，又不克不及粉碎质料自己的强度及耐热性。”汪怀远回忆，团队筛选了上百种试剂组合，监测了无数次温度曲线，才终极确定了最好方案。

为国产化替换斥地广漠空间

试验数据印证了这一方案的乐成。

“新型环氧树脂强度到达78兆帕，玻璃化改变温度跨越245摄氏度。这象征着其于1平方厘米的面积上，能蒙受780千克的压力，险些等同在1.5头成年水牛的重量；同时，于245摄氏度的情况中，该质料依然能连结原本的硬度及坚固度。”汪怀远说，对于比市售高端产物，其耐热性提高约15%。

除了了超高强度及耐热性外，该质料的断裂韧性也到达了每一立方米8.2兆焦耳，相较在市道上出售的高端环氧树脂质料，其断裂韧性更是晋升了近3倍。

“也就是说，这类质料不单完善地解决了环氧树脂的‘跷跷板难题’，质料自己的高强度、高耐热性与韧性也均有了年夜幅度晋升。”汪怀远说。

更主要的是，新型环氧树脂还有具有了传统环氧树脂缺少的自修复能力及可收受接管性。

“咱们初次于云云高机能的热固性环氧树脂中实现了外形可编程和化学降解。”汪怀远暗示，这类质料可以屡次再加工及物理收受接管，机能降落不跨越10%。这打破了传统环氧树脂“一次固化即永世定型”的局限。

这些机能的暗地里，是广漠的运用远景。

好比，团队经由过程简朴热压印工艺，使用新型环氧树脂乐成制备出超疏水、高导热复合涂层，于添加氮化硼填料后，其导热系数显著晋升，能直接解决5G基站、高机能芯片的散热痛点。汪怀远暗示，采用该涂层后，芯片运行温度降低15-20℃，不变性显著提高。

对于在风电行业而言，这项技能更能带来革命性变化。“之前每一年5800吨退役叶片烧毁物只能填埋点火，此刻经由过程高温处置惩罚，就能分化再加工为新基材。”汪怀远说。

于航空航天及新能源汽车范畴，新型环氧树脂的上风一样凸起。“飞机机身加固需要高强度及轻量化统筹，传统质料韧性不足，于高空湍流打击下易呈现裂纹。”汪怀远暗示，新型质料于重量减轻10%的同时，其抗打击能力可年夜幅晋升，能有用抵御湍流及起降应力。

今朝，团队已经为这项技能申请多项专利，正与财产界踊跃对于接。“高端环氧树脂持久依靠入口，咱们的质料机能更优、还有兼具环保特征，能为国产化替换斥地广漠空间。”汪怀远暗示，将来跟着技能财产化的落地，各种高端制造产物都将实现更耐用、更环保的进级超过，从而为我国“双碳”方针的实现提供坚实支撑。

相干论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202512584