碳纤维(CF)增强聚合物(CFRPs)显示出在个人防护装备中使用的潜力。然而，现有的CFRPs通常是刚性的，不可回收的，缺乏抗撕裂性。在本研究中，通过可逆交联PU弹性体粘合剂与CF织物的络合，制备了柔性，可回收和抗撕裂的聚氨酯(PU)-CF复合材料。PU-CF复合材料强度达到767 MPa，断裂能达到2012 kJ m−2。PU- CF复合材料的高性能源于精心设计的PU弹性体粘合剂，该粘合剂是通过交联聚四氢呋喃链和由氢和配位键的分层超分子相互作用组成的原位形成的纳米结构域获得的。当受到撕裂作用时，集中在PU- CF复合材料损伤区域的力可以通过PU粘结剂有效地分布到更大的区域，从而显著增强了复合材料的抗撕裂性。PU粘结剂与CF织物之间的强界面附着力使CF成束断裂，从而显著提高了复合材料的强度和断裂能。由于PU弹性体粘合剂的动态性质，PU- cf复合材料可以通过PU弹性体粘合剂的解离来回收。
机理
通过物理交联聚四氢呋喃(PTMG)基聚氨酯(PU)链和由氢和配位键的层次超分子相互作用组成的原位形成的纳米结构域，成功地制备了所需的RCEs。
机理
预聚物的合成：HO−PTMG−OH (20.0 g, 10.0 mmol)溶解在干燥的THF (250 mL)中，使用机械搅拌器在50°C下连续搅拌。然后，在上述反应溶液中加入HMDI (3.36 g, 20.0 mmol)和DBTDL (0.10g, 0.16 mmol)。在50℃N2气氛下连续搅拌12 h，即可得到预聚物溶液。
聚氨酯(PU)的合成：将HO−BPY−OH (2.16 g, 10.0 mmol)作为扩链剂加入预聚体溶液中，在60℃N2气氛下连续搅拌12 h，将反应溶液倒入己烷中生成PU沉淀。收集PU沉淀物，用己氢化物洗涤，真空干燥24 h。
聚氨酯弹性体的制备：将Zn2+与PU中联吡啶基团的摩尔比为1:3的Zn(CH3COO)2加入到PU (100 mg mL-1)的THF溶液中，室温搅拌4 h，将混合溶液浇铸在清洗过的玻璃片上。经THF蒸发后，从玻璃基板上剥离弹性体得到PU弹性体。
图解
图1: a) PU合成路线。b) PU弹性体粘结剂制备示意图。c) PU弹性体的存储模量G′和损耗模量G′的频率依赖性。d) PU弹性体位移因子Arrhenius图。根据曲线的斜率计算表观活化能值。e)提出的分层超分子相互作用结构。f) PU弹性体典型应力-应变曲线。g) PU弹性体的SAXS图案。附图显示了PU弹性体的2D-SAXS模式。h) PU弹性体结构示意图。
图2：a) PU-CF复合材料的制备工艺示意图。b) PU-CF2复合材料不同形状的数字图像。c)粘接PU弹性体粘结剂的两片CF织物的搭剪强度与位移的函数关系。附图为PU链与碳纤维之间的超分子相互作用示意图。d) PU-CF复合材料拉伸试验示意图(d(i))。断裂的PU-CF1复合材料片的数字图像(d(ii))。e) PU-CF复合材料、CF织物和PU弹性体的典型应力-应变曲线。
图3：a) PU-CF2复合材料刺穿试验过程数字图像。b)整齐CF织物、PU-CF1、PU-CF2复合材料的穿刺力随位移的函数。c)穿孔后PU-CF2复合片的数字图像(i)和SEM图像(ii)。d) PU-CF复合材料裤子撕裂试验示意图(d(i))。撕裂后PU-CF1复合材料的数字图像(d(ii))。e) CF织物、PU-CF1、PU-CF2复合材料撕裂力随位移的变化曲线。f,g) (d)中PU-CF1复合材料撕裂后的放大SEM图像，其中f靠近缺口尖端，g远离缺口尖端。h,i) PU-CF1复合材料撕裂后的SEM截面图。i)为(h)中破损cf的放大图，用红色方框标记。j) PU-CF复合材料作为柔性PPE应用的概念图。
图4：a、b) PU弹性体的加卸载曲线拉伸至100% a)和300% b)应变。插图显示了PU弹性体在100%和300%应变下的2D-SAXS模式。c) PU弹性体随应变的迟滞面积。d)完整和单侧缺口PU弹性体的典型应力-应变曲线。插图是应变≈800%的单边缺口弹性体。e)提出了PU-CF复合材料优异抗撕裂性能的机理。(i)中的示意图描述了PU-CF复合材料在撕裂过程中的形态，而(ii、iii和iv)中的示意图展示了PU-CF复合材料中缺口的传播过程。
图5：a) PU弹性体的储存模量(E′)、损耗模量(E″)和tan𝛿随温度的变化。b) PU-CF2复合材料的缺陷修复过程。c)乙醇辅助下PU-CF6复合材料的回收过程。d)原始PU弹性体和回收PU- cf复合材料的应力-应变曲线。
结论
总之，我们已经证明了可愈合和可回收的PU-CF复合材料的制造，具有高拉伸强度、韧性、抗刺伤性和创纪录的高撕裂性，通过将CF织物与精心设计的PU弹性体络合。聚氨酯弹性体是一种具有高结合能的分层超分子相互作用动态交联的聚氨酯弹性体，对CF织物具有良好的粘接性，并能在小应变下有效耗散能量。碳纤维与PU粘结剂的高模量比使PU-CF复合材料能够有效地将损伤区域的集中力分布到更大的区域。PU-CF复合材料具有较高的断裂能，可以有效地阻止复合材料损伤的扩展，提高复合材料的使用可靠性。此外，PU-CF复合材料具有较高的抗刺伤性，可以通过热压工艺修复制造过程中产生的缺陷。本研究为PU弹性体粘合剂的设计提供了一种简便的方法，该方法适用于制造具有极高抗撕裂性和回收能力的机械坚固和柔性PU- CF复合材料。使用可逆交联弹性体作为粘合剂不仅扩展了CF增强聚合物材料的应用范围，而且有助于建立循环材料经济。
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原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202406252
