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手機(jī)電路板封裝、風(fēng)電葉片支撐、飛機(jī)機(jī)身加固……環(huán)氧樹脂作為現(xiàn)代工業(yè)的“隱形骨架”，應(yīng)用遍布高端制造領(lǐng)域。近日，天津大學(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出兼具耐高溫、高強(qiáng)韌與可回收特性的新型環(huán)氧樹脂，該成果以論文形式發(fā)表在國際頂尖期刊《先進(jìn)材料》上。這項(xiàng)研究以分子設(shè)計(jì)創(chuàng)新，破解了困擾行業(yè)數(shù)十年的“蹺蹺板困境”，為高端材料綠色化提供了解決方案。
環(huán)氧樹脂憑借優(yōu)異的粘接力、機(jī)械強(qiáng)度和耐化學(xué)性，成為航空航天、新能源、電子封裝等戰(zhàn)略領(lǐng)域的核心材料，全球市場規(guī)模超130億美元。在我國，它更是風(fēng)電葉片制造的關(guān)鍵基材，然而每年退役風(fēng)電葉片產(chǎn)生的約5800噸環(huán)氧樹脂復(fù)合材料廢棄物，卻只能依賴填埋或焚燒處理，既浪費(fèi)資源又污染環(huán)境。
這一難題，在科學(xué)家看來就像一個(gè)“蹺蹺板困境”：傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂固化后形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如同“無法解開的漁網(wǎng)”，高強(qiáng)度、高耐熱性與韌性、可加工性始終難以兼顧——增韌需犧牲耐熱性，而提高耐熱性則會導(dǎo)致材料變脆，這一“蹺蹺板困境”不僅限制了其在極端環(huán)境中的應(yīng)用，更成為高端環(huán)氧樹脂國產(chǎn)化與綠色化的核心瓶頸。
汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)研究的突破性在于，從分子設(shè)計(jì)源頭突破，在傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂的剛性網(wǎng)絡(luò)中巧妙地植入了可逆的“酸堿離子對”。這些離子對在材料中扮演著雙重角色，既是吸收沖擊能量的“微型減震器”，又是能在高溫下啟動鍵位重組的“智能催化劑”。這種設(shè)計(jì)使新材料在保持超高強(qiáng)度（78兆帕）和耐熱性（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度大于245攝氏度）的同時(shí)，斷裂韌性達(dá)到了8.2兆焦耳每立方米，對比市售高端環(huán)氧樹脂材料，新材料的耐熱性提高了約15%，而斷裂韌性則提升了近3倍。
在保持這些優(yōu)異性能的同時(shí)，新材料還具備了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂所缺乏的自修復(fù)能力和可回收性。“我們首次在如此高性能的熱固性環(huán)氧樹脂中實(shí)現(xiàn)了形狀可編程及化學(xué)降解，”汪懷遠(yuǎn)教授表示，“實(shí)驗(yàn)表明，這種材料可以多次再加工和物理回收，而性能下降不超過10%。”這打破了傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂“一次固化即永久定型”的局限。
新型環(huán)氧樹脂材料
基于獨(dú)特性能，團(tuán)隊(duì)通過簡單熱壓印工藝，成功制備出超疏水、高導(dǎo)熱復(fù)合涂層——水接觸角接近150度，添加氮化硼填料后導(dǎo)熱系數(shù)顯著提升，可解決5G基站、高性能芯片的散熱痛點(diǎn)，為“雙碳”目標(biāo)下高端材料產(chǎn)業(yè)升級提供支撐。在風(fēng)電領(lǐng)域，可回收特性有望破解退役葉片處理難題；在航空航天、新能源汽車領(lǐng)域，其高強(qiáng)韌、耐高溫優(yōu)勢可助力裝備輕量化升級，同時(shí)為高端環(huán)氧樹脂國產(chǎn)化替代提供廣闊空間。
植入可逆的“酸堿離子對”后 兼顧多功能、高強(qiáng)韌的新型環(huán)氧樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念
這項(xiàng)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金支持，依托化學(xué)工程與低碳技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、天津大學(xué)大型儀器平臺、化工學(xué)院大型儀器測試平臺完成核心實(shí)驗(yàn)。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請了多項(xiàng)專利，并開始與產(chǎn)業(yè)界接觸，探索產(chǎn)業(yè)化路徑。未來，隨著技術(shù)落地，各類高端制造產(chǎn)品將有望因這種“綠色高強(qiáng)”新材料，實(shí)現(xiàn)更耐用、更環(huán)保的升級跨越。