PEG/Na(K)OH介质中胺类环氧树脂可控降解及机理研究

Thermoset epoxy resin is used in a wide range of applications, but recycling at the end of their life cycle is very difficult because of the cross-linked nature of the resin. Chemical methods processed under high temperature and pressure are usually employed to decompose thermoset epoxy resin with high efficiency. The cleavage of epoxy resin crosslink bonds under high temperatre and pressure will lead to complicated degradation products. As a result, the recycle compounds can hardly be reused as reactants. Amine cured epoxy resins can hardly be solvolyzed by mild solvent that can obtain designated product structures. This project aims at the curcial science problem on recycling and reuse of amine cured epoxy resin: controllable solvolysis of particular functional groups (-C-N- and -C-O-). We employ a green solvent system PEG/Na(K)OH to hydrolyze amine cured epoxy resin and composites with high efficiency. After study of component and structure of products at different reaction phase, the products of the structure that we estimated and designed previously can be obtained. It is expected to solve the problem on reuse of epoxy resin products, and lay a solid foundation for green chemical recycling of waste epoxy resin through this project.

热固性环氧树脂应用广泛，然而其不溶不熔的特点使其在达到使用寿命之后的回收非常困难。热解法以及临界流体法等常用方法降解产物结构成分复杂，难以再生利用。选择温和溶剂体系（醇类）使环氧树脂中特征官能团断键降解是获得可再生产物的有效手段，然而由于胺固化环氧树脂具有稳定的主链结构导致其难以被温和溶剂所降解。本课题旨在解决胺类环氧树脂再生利用的关键科学问题：胺类环氧树脂结构中特定官能团（C-N键及C-O键）的断键降解。提出利用温和绿色介质PEG/Na(K)OH实现高效降解胺类环氧树脂，通过跟踪分析产物结构确定断键部位并以小分子模型化合物验证降解机理，同时开展反应参数对于再固化环氧树脂及其复合材料性能的影响规律研究，实现胺类环氧树脂C-N、C-O断键及回收产物再固化。最终通过开展本项目研究有望为废弃环氧树脂材料的绿色高效及高附加值的资源化利用技术奠定理论基础。

热固性环氧树脂以其耐腐蚀、绝缘、高强度、尺寸稳定性好等优良性能，被广泛应用于机械制造、航天航空、船舶工业、电子电气等领域，日益增长的应用势必会造成大量废弃物的产生，不仅危害环境，也造成了资源的损失，因此研究废旧热固性环氧树脂材料的回收具有非常重要的意义。热固性树脂分子呈三维网状结构，回收十分困难。本论文针对热固性环氧树脂材料的回收展开研究，利用聚乙二醇（PEG）/碱溶剂体系降解以及两步法（先经氮甲基吡咯烷酮（NMP）溶剂预处理，再利用PEG/碱溶剂体系降解）成功实现了模型环氧树脂及其纤维增强复合材料的降解回收及资源化再利用。研究发现经NMP处理的异佛尔酮二胺固化的双酚A型环氧树脂（IDER）物理结构发生破坏，得到了带有微孔的颗粒状产物N-IDER，增大了反应接触面积，从而提高降解效率，以PEG200/KOH作为溶剂体系，在240 °C下反应2 h，N-IDER降解率达到92.4%，同时回收碳纤维的单丝拉伸强度损失不到10%，该回收方法操作简便，所用溶剂体系绿色环保，反应条件温和并且降解效率高。在研究热固性环氧树脂及其复合材料的回收过程中，深入探讨了树脂基体的降解机理，回收纤维的完整程度及性能的变化。该项目的研究不仅为废旧热固性环氧树脂及其复合材料提供了一种简易、安全、绿色、高效的回收方法，其中的理论研究也为其工业化应用提供了理论基础。