碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）作為一種輕質(zhì)、堅(jiān)固且堅(jiān)韌的復(fù)合材料，可用于減輕汽車、飛機(jī)和航天器的重量并提高燃油效率。然而，傳統(tǒng)的CFRP很難回收，大多數(shù)都是一次性材料，因此碳足跡顯著。美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）設(shè)計(jì)出閉環(huán)路徑，可用于合成極其堅(jiān)韌的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP），并能回收其所有原材料。ORNL的閉環(huán)技術(shù)（發(fā)表在期刊《Cell Reports Physical Science》上），可以應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。 
傳統(tǒng)的熱固性材料是永久交聯(lián)的。一旦合成、固化、模塑并定形，就無法再加工。然而，ORNL將動(dòng)態(tài)化學(xué)基團(tuán)添加到聚合物基體及其嵌入的碳纖維中， 聚合物基體和碳纖維可以經(jīng)歷多次再加工循環(huán)，而不會(huì)損失如強(qiáng)度和韌性等機(jī)械性能。Rahman與ORNL化學(xué)家Tomonori Saito一起領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究，此外Rahman和ORNL博士后研究員Menisha Karunarathna Koralalage進(jìn)行了大部分實(shí)驗(yàn)。三人已為這項(xiàng)創(chuàng)新申請了專利。 未來，隨著循環(huán)輕質(zhì)材料被納入清潔能源技術(shù)，ORNL的閉環(huán)回收技術(shù)可能會(huì)改變低碳制造。研究人員從大自然中汲取靈感，大自然采用動(dòng)態(tài)界面來創(chuàng)造堅(jiān)固的材料。珍珠層是海洋貽貝和其他軟體動(dòng)物貝殼內(nèi)的彩虹色珍珠母，非常堅(jiān)韌：它可以變形而不會(huì)破裂。此外，海貽貝會(huì)強(qiáng)烈地粘附在表面，但在必要時(shí)會(huì)耗散能量以釋放。研究人員旨在優(yōu)化碳纖維和聚合物基體之間的界面化學(xué)，以提高界面附著力并增強(qiáng)CFRP韌性。“我們合成的復(fù)合材料的強(qiáng)度幾乎是傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的兩倍，拉伸強(qiáng)度是同類纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中最高的。”Rahman說，“其他機(jī)械性能也非常好。” ORNL材料與沒有動(dòng)態(tài)鍵的聚合物相比，纖維界面和聚合物之間的動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵具有43%的界面附著力。動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回收。在傳統(tǒng)的基體材料中，碳纖維很難與聚合物分離。ORNL的化學(xué)方法在功能位點(diǎn)‘夾’住纖維，使得將纖維從聚合物中分離出來以供再利用成為可能。研究人員對(duì)一種名為S-Bpin的商品聚合物進(jìn)行了改性。他們創(chuàng)造出一種含有硼酸酯基團(tuán)的氫化苯乙烯-丁二烯嵌段（SEBS）共聚物，這些基團(tuán)與交聯(lián)劑和碳纖維共價(jià)鍵合，讓CFRP變得更堅(jiān)韌。對(duì)CFRP進(jìn)行拉伸性能測試、流變學(xué)數(shù)據(jù)解讀、層間剪切強(qiáng)度分析和掃描電子顯微鏡顯示，碳纖維在回收后仍保持其原有質(zhì)量和性能，通過X射線光電子能譜證實(shí)了哪些分子附著在纖維表面。研究人員發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)交聯(lián)的程度很重要。“我們發(fā)現(xiàn)5%的交聯(lián)比50%的交聯(lián)效果更好。” Rahman說，“如果我們增加交聯(lián)劑的用量，它就會(huì)開始使聚合物變脆。這是因?yàn)槲覀兊慕宦?lián)劑具有三個(gè)類似‘抓手’的結(jié)構(gòu)，能夠建立更多的連接并降低聚合物的柔韌性。” 接下來，研究團(tuán)隊(duì)希望對(duì)玻璃纖維復(fù)合材料進(jìn)行類似的研究，玻璃纖維復(fù)合材料可以在保持高性能的同時(shí)降低航空航天、汽車、海洋、體育、建筑和工程應(yīng)用的成本和碳足跡。他們還希望降低新技術(shù)的成本，以拓展更多應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化商業(yè)前景。
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