一、實(shí)驗(yàn)背景與意義在"雙碳"戰(zhàn)略背景下，傳統(tǒng)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂因永久交聯(lián)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致難以回收、對(duì)環(huán)境不友好等問(wèn)題，開(kāi)發(fā)可再加工、可修復(fù)和可降解的熱固性環(huán)氧材料成為材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)引入動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵（陽(yáng)離子-π相互作用）制備新一代綠色環(huán)氧樹(shù)脂，實(shí)現(xiàn)材料的循環(huán)利用并保持優(yōu)異性能。
二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
1. 學(xué)生掌握動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵交聯(lián)熱固性環(huán)氧樹(shù)脂的制備原理與方法
2. 比較傳統(tǒng)共價(jià)交聯(lián)與新型陽(yáng)離子-π交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂的性能差異
3. 促使學(xué)生理解生物基材料在綠色化學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值
4. 學(xué)生養(yǎng)成低碳環(huán)保的材料設(shè)計(jì)理念
三、實(shí)驗(yàn)原理
1. 材料特性對(duì)比性能指標(biāo)傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂新一代綠色環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)方式永久共價(jià)鍵動(dòng)態(tài)陽(yáng)離子-π非共價(jià)鍵回收性能不可回收可循環(huán)利用原材料來(lái)源化石基生物基材料環(huán)境影響廢棄物難處理可降解、低污染
2. 陽(yáng)離子-π作用機(jī)理陽(yáng)離子-π作用是一種由靜電吸引和配位鍵協(xié)同形成的非共價(jià)分子間相互作用，發(fā)生在帶正電荷的陽(yáng)離子（如金屬離子、質(zhì)子）與含有富π電子芳香環(huán)（如苯環(huán)、吲哚環(huán)等）的分子之間。在本實(shí)驗(yàn)中，色胺分子中的吲哚環(huán)（富π電子體系）與Mg2?（陽(yáng)離子）通過(guò)該作用形成動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。
具有以下特點(diǎn)：
距離與取向：作用能隨陽(yáng)離子與芳香環(huán)平面距離（r）的增大而顯著降低，且在陽(yáng)離子垂直于芳香環(huán)平面（取向角θ=90°）時(shí)最強(qiáng)；偏離垂直取向或距離增加會(huì)導(dǎo)致作用減弱。
離子類(lèi)型：
輕金屬陽(yáng)離子（如H?、Li?、Mg2?）：因離子半徑小、電荷密度高，可深入芳香環(huán)的π電子云內(nèi)部，形成強(qiáng)相互作用。
重金屬陽(yáng)離子（如Cu2?、Fe3?）：離子半徑大，與π電子云的重疊程度低，主要通過(guò)配位鍵作用，強(qiáng)度較弱。溶劑環(huán)境：溶劑介電常數(shù)升高會(huì)削弱靜電吸引（如極性溶劑水會(huì)降低作用強(qiáng)度），但對(duì)H?-π、H?O?-π等強(qiáng)作用體系影響較小。
3.實(shí)驗(yàn)中的具體體現(xiàn)這種“可破壞-可重組”的特性，解決了傳統(tǒng)共價(jià)交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂“永久固化、無(wú)法回收”的固有缺陷。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)色胺（含吲哚環(huán)）提供富π電子體系，Mg2?作為陽(yáng)離子，二者在80℃反應(yīng)中通過(guò)陽(yáng)離子-π作用形成動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)加入焦磷酸（PPi）時(shí)，PPi與Mg2?的配位能力更強(qiáng)，會(huì)競(jìng)爭(zhēng)性取代吲哚環(huán)與Mg2?的作用，導(dǎo)致EPI&Mg網(wǎng)絡(luò)解體并溶解，實(shí)現(xiàn)材料的回收。
四、實(shí)驗(yàn)材料與儀器
1. 主要試劑E51型環(huán)氧樹(shù)脂、色胺（生物基固化劑）、己二胺（對(duì)比用固化劑）、氯化鎂（提供Mg2?）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，溶劑）、焦磷（PPi，回收實(shí)驗(yàn)用）、二氯甲烷、乙酸乙酯、四氫呋喃（溶劑）
2. 實(shí)驗(yàn)儀器燒杯、滴管、載玻片、真空干燥箱、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（力學(xué)性能測(cè)試）、超聲波清洗器、恒溫水浴鍋
五、實(shí)驗(yàn)步驟
（一）. 線性環(huán)氧樹(shù)脂（EPI）的制備
1. 按1:1摩爾比稱(chēng)取E51型環(huán)氧樹(shù)脂與色胺。
2. 溶解于DMF溶劑中，攪拌均勻。
3. 80℃恒溫水浴反應(yīng)12小時(shí)。
4. 冷卻后得到線性環(huán)氧樹(shù)脂產(chǎn)物。
（二） 陽(yáng)離子-π交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂（EPI&Mg）的制備
1. 按1:1:0.04摩爾比稱(chēng)取E51型環(huán)氧樹(shù)脂、色胺與氯化鎂。
2. 共同溶解于DMF溶劑中，超聲混合均勻。
3. 80℃恒溫水浴反應(yīng)12小時(shí)。
4. 產(chǎn)物澆筑成膜，真空干燥后備用。
（三） 共價(jià)交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂（HEPI）的制備（對(duì)照組）
1. 按1:1摩爾比稱(chēng)取E51型環(huán)氧樹(shù)脂與己二胺。
2. 溶解于DMF溶劑中，攪拌均勻。
3. 80℃恒溫水浴反應(yīng)12小時(shí)。
4. 冷卻成型后干燥備用。
（四） 性能測(cè)試
1.力學(xué)性能測(cè)試
1）將三種樣品制備成50mm×5mm標(biāo)準(zhǔn)樣條。
2） 使用萬(wàn)能拉力機(jī)測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。
3） 每組樣品測(cè)試3次，取平均值。
2. 回收循環(huán)實(shí)驗(yàn)
1） 將EPI&Mg樣品破碎后加入含0.2wt%焦磷酸的DMF溶液。
2） 50℃攪拌至完全溶解。
3）倒入去離子水中析出聚合物，過(guò)濾并反復(fù)沖洗。
4）干燥后重新加入MgCl?制備新樣品。
5）測(cè)試回收后樣品的力學(xué)性能。
六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
1. 力學(xué)性能對(duì)比：陽(yáng)離子-π交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均優(yōu)于線性環(huán)氧樹(shù)脂，與傳統(tǒng)共價(jià)交聯(lián)環(huán)氧樹(shù)脂相當(dāng)。
2. 回收性能：EPI&Mg樣品經(jīng)回收處理后性能無(wú)明顯降低，實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用；傳統(tǒng)HEPI樣品無(wú)法溶解回收。
3. 綠色化學(xué)特性：生物基原材料降低環(huán)境影響，循環(huán)利用模式減少?gòu)U棄物產(chǎn)生，符合"雙碳"發(fā)展要求。
七、注意事項(xiàng)
1. DMF等有機(jī)溶劑具有揮發(fā)性，需在通風(fēng)櫥內(nèi)操作。
2. 反應(yīng)溫度需嚴(yán)格控制，避免溫度波動(dòng)影響產(chǎn)物性能。
3. 樣品制備過(guò)程中保持實(shí)驗(yàn)臺(tái)面清潔，防止交叉污染。
4. 力學(xué)性能測(cè)試時(shí)注意操作安全，避免樣條斷裂飛濺。
八、課后討論
1. 除陽(yáng)離子-π相互作用外，還有哪些動(dòng)態(tài)非共價(jià)鍵可用于制備可回收熱固性材料？
2. 如何進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件以提高新一代環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能？
3. 從工業(yè)化應(yīng)用角度考慮，生物基原材料的選擇需要考慮哪些因素？
九、實(shí)驗(yàn)拓展
思考本實(shí)驗(yàn)可進(jìn)一步探究不同金屬陽(yáng)離子（如Li?、Cu2?）對(duì)交聯(lián)性能的影響，或嘗試其他生物基固化劑以提高材料的生物降解性。通過(guò)改變交聯(lián)密度和動(dòng)態(tài)鍵類(lèi)型，可調(diào)控材料的力學(xué)性能和回收效率，為開(kāi)發(fā)更多功能化綠色材料提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。