贤集网8月28日讯：环氧树脂是一种具有优异弹性和功能性的聚合物。当它们与碳纤维或玻璃纤维结合时，可以被用来制造风力涡轮机、火车、汽车和飞机的零件。这些具有环氧基的纤维增强聚合物提供了优异的机械性能和热性能，并且重量远小于金属。但是，它们是不可回收的。瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa从事尖端材料和技术研究，其研发活动侧重于满足行业的要求和社会的需求，从而将面向应用的研究与新思想的实际实施联系起来。近日，在Sabyasachi Gaan的指导下，Empa先进纤维实验室的研究人员现在已经开发了一种完全可回收、可修复和高阻燃的环氧树脂，它也同时保持了环氧树脂优异的热机械性能。

一、什么是环氧树脂

环氧树脂是一种聚合物材料，属于热固性塑料。它具有优异的机械性能、化学稳定性和电学性能，是一种常用的建筑材料。

二、环氧树脂的特性

1、机械性能：环氧树脂的机械性能优异，具有很好的强度、硬度和耐磨性能。

2、耐化性：环氧树脂具有极好的耐化性，在强酸、强碱和溶剂等化学物质的作用下，表面不会出现明显的变化。

3、绝缘性能：环氧树脂的绝缘性能优异，能够有效地隔离电流，具有很好的电学性能。

4、粘接性：环氧树脂具有优异的粘接性能，能够与各种材料粘接。

三、环氧树脂的结构和性质

环氧树脂是一种重要的高分子聚合物，其独特的结构和性质使其在许多领域得到广泛应用。

环氧树脂的分子结构包含环氧基（环氧环）和骨架。

环氧基是由三个原子构成的环状结构，其中一个是氧原子，其余两个是碳原子，环氧基的化学结构为：R-O-R'，其中 R 和 R' 是烃基或其他基团。

环氧树脂的分子可以含有一个或多个环氧基，形成不同的分支和交联结构。环氧树脂在和固化剂（通常是胺类化合物或酸酐）发生反应后，环氧基会开环并与固化剂中的活性氢原子发生反应，形成三维的交联网络结构，从而固化成坚固的材料。

由于固化反应，环氧树脂形成的交联结构赋予材料优异的机械性能、耐磨性和耐化学腐蚀性，使其在高强度和耐用性方面表现出色。环氧树脂的性能可以通过改变配方、固化剂、交联程度等来调整，从而满足不同应用领域的要求。

环氧树脂具有优异的粘附性能，可以牢固地粘结到许多不同类型的基材上，如金属、塑料、玻璃等。由于其分子结构和交联网络，环氧树脂表现出优越的电绝缘性能，适用于电子器件和绝缘材料领域。环氧树脂对化学腐蚀的抵抗性较强，使其适用于腐蚀性环境下的应用。

耐高温性：一些环氧树脂经过特殊改性后，可以展现出优异的耐高温性，适用于高温环境下的应用。

大多数环氧树脂在固化后具有较低的挥发性，从而使其适用于室内和电子领域，不会产生污染或影响其他组件。

综上所述，环氧树脂的独特结构和多种性质使其成为一种多功能的材料，在广泛的领域中发挥着重要作用，从建筑、航空航天到电子和医疗等。虽然现有的环氧树脂基化学材料在许多领域中具有重要的应用，但也存在一些局限性需要在研发和应用中加以解决。通过进一步的研究和改进，可以提高这些材料的性能和适用性，以满足不断变化的需求。

四、环氧树脂的改性

环氧树脂基化学材料作为一类重要的工程材料，在广泛的领域中具有广泛的应用，如复合材料、电子器件封装等。

然而，为了满足不同应用领域对材料性能的要求，提升环氧树脂基材料的性能成为一个关键挑战。

材料改性作为一种有效的手段，被广泛用于调整材料的物理、化学以及电学性质，从而实现所需的性能提升。

介电性能作为材料电学性质的重要指标，在许多领域中扮演着至关重要的角色，通过引入不同的改性工艺，我们可以调控材料的介电性能，从而实现更好的材料适应性和性能表现。

通过这项研究，我们希望为环氧树脂基化学材料的改性工艺以及其介电性能的研究提供深入的洞察和理论支持，为材料改性领域的发展和应用提供有价值的参考。 

五、改性工艺方法

改性工艺方法可以改善环氧树脂基化学材料的性能，以适应特定的应用需求。

环氧树脂中添加各种添加剂，如填料、增强纤维、阻燃剂、抗氧化剂等，以改善其机械性能、耐热性、抗老化性能等。

将纳米颗粒（如纳米粒子、纳米管、纳米片等）加入环氧树脂中，可以显著改善其强度、刚度、导电性、导热性等性能。

将不同类型的共聚物引入环氧树脂中，可以调节材料的性能，如柔韧性、耐冲击性、耐候性等。

选择不同类型的固化剂，可以调整固化速率、固化温度和最终的交联结构，从而改善材料性能，控制环氧树脂的交联密度，可以影响材料的硬度、强度和耐磨性。

调整环氧树脂中环氧基和固化剂的比例，可以改变固化程度和最终材料性能，通过功能化分子的引入，可以赋予环氧树脂特定的性能，如表面润湿性、光学性能等。

这些改性工艺方法可以根据需要进行组合和优化，以获得最佳的性能和适应特定应用领域的环氧树脂基化学材料。

不同的改性方法可能会产生不同的效果，因此在进行材料设计和应用选择时，需要综合考虑不同的因素。

六、瑞士科学家开发出可回收环氧树脂

环氧树脂作为一种热固性塑料，若要实现其回收绝非易事，因为这种类型聚合物中的分子链是紧密交联的。由于这些化学交联，熔化基本是不可行的。塑料一旦固化就不能再变形。

瑞士联邦材料科学与技术实验室Empa从事尖端材料和技术研究，其研发活动侧重于满足行业的要求和社会的需求，从而将面向应用的研究与新思想的实际实施联系起来。近日，在Sabyasachi Gaan的指导下，Empa先进纤维实验室的研究人员现在已经开发了一种完全可回收、可修复和高阻燃的环氧树脂，它也同时保持了环氧树脂优异的热机械性能。

七、新型聚合物

这款由Empa研究人员与当地和国际合作伙伴合作联合开发的特殊环氧树脂，虽然依然被称为热固性树脂，但它却可以像热塑性塑料一样成型，其秘密在于是将一种来自膦酸酯组的高度独特功能分子结合到新制造的树脂基体中。

Empa研究人员也是该产品的联合发明人Klingler Wenyu Wu 介绍，起初合成这种分子是把它作为阻燃剂。然而，这种分子与环氧树脂聚合物链的连接是动态的，在特定情况下可能会被破坏。聚合物链的交联因此而松动，从而使它们可以被熔化和重整。这些材料，也被称为玻璃化物，是非常新的，被认为是非常有前途的。

Klinger补充指出，如今纤维增强复合材料几乎很难实现回收，除非在非常恶劣的条件下，但这反过来又会损伤回收的纤维。一旦热固性材料达到使用寿命，就会被焚烧或在垃圾填埋场处理。而有了这种塑料，它们将首次有可能实现循环再利用。

该项目负责人Gaan Sabyasachi 表示：“我们未来的愿景是开发一种复合材料，在这种复合材料中，纤维和塑料基体都可以完全分离和重复使用。”

现如今，研究人员在碳纤维增强塑料（CFRP）中发现了机会，而CFRP已被广泛用于飞机、火车、船只、汽车、自行车和其他车辆的生产。碳纤维的生产需要大量的能源，并释放出大量的二氧化碳。如果能回收它们，它们的环境足迹会好得多，价格也会低得多。此外，回收附着在基体聚合物上的磷等珍贵元素也是可行的。

新型环氧树脂因其含有一定量的磷而具有阻燃性，如未经处理的MDF样品（左）与涂有新型聚合物的样品相比的燃烧试验

量身定制的材料

这种新型聚合物不仅适用于纤维增强复合材料，它也可以用作覆盖硬木地板表面的一种透明的、耐用的、具有高阻燃能力的保护层，并且只需足够的压力和热量，划痕和凹痕就可以“愈合”。

Gaan补充指出，他们并没有开发出一种特定用途的材料，而是开发了一个工具箱。阻燃性、可回收性和可修复性是既定的，而他们可以根据预期用途优化所有其他性能。他解释说，比如，流动性在生产纤维增强塑料时极为重要，而外部木材涂层也应具有耐候性。

研究人员现在正在寻找工业合作伙伴来研究这种材料的多样化应用场景。而其商业成功的可能性也很高，因为除了上述众多优点外，这款改性环氧聚合物经济性较好且易于制造。

Gaan Sabyasachi 和Klingler Wenyu Wu 是Empa先进纤维实验室的成员，该实验室已经研究专门用于织物、塑料和木材的阻燃剂有15年历史了。在上个月底7月26日至29日举办的2023年欧洲阻燃聚合物材料会议（FRPM）上，来自学术界和工业界的250名专家齐聚一堂，进行多学科演讲和讨论，该项目也在会议期间进行了介绍。

文章来源： 鲸探所，钱鑫博士，凯利环境工程