一、实验背景与意义在"双碳"战略背景下，传统热固性环氧树脂因永久交联结构导致难以回收、对环境不友好等问题，开发可再加工、可修复和可降解的热固性环氧材料成为材料领域研究热点。本实验通过引入动态非共价键（阳离子-π相互作用）制备新一代绿色环氧树脂，实现材料的循环利用并保持优异性能。
二、实验目的
1. 学生掌握动态非共价键交联热固性环氧树脂的制备原理与方法
2. 比较传统共价交联与新型阳离子-π交联环氧树脂的性能差异
3. 促使学生理解生物基材料在绿色化学中的应用价值
4. 学生养成低碳环保的材料设计理念
三、实验原理
1. 材料特性对比性能指标传统环氧树脂新一代绿色环氧树脂交联方式永久共价键动态阳离子-π非共价键回收性能不可回收可循环利用原材料来源化石基生物基材料环境影响废弃物难处理可降解、低污染
2. 阳离子-π作用机理阳离子-π作用是一种由静电吸引和配位键协同形成的非共价分子间相互作用，发生在带正电荷的阳离子（如金属离子、质子）与含有富π电子芳香环（如苯环、吲哚环等）的分子之间。在本实验中，色胺分子中的吲哚环（富π电子体系）与Mg2?（阳离子）通过该作用形成动态交联网络。
具有以下特点：
距离与取向：作用能随阳离子与芳香环平面距离（r）的增大而显著降低，且在阳离子垂直于芳香环平面（取向角θ=90°）时最强；偏离垂直取向或距离增加会导致作用减弱。
离子类型：
轻金属阳离子（如H?、Li?、Mg2?）：因离子半径小、电荷密度高，可深入芳香环的π电子云内部，形成强相互作用。
重金属阳离子（如Cu2?、Fe3?）：离子半径大，与π电子云的重叠程度低，主要通过配位键作用，强度较弱。溶剂环境：溶剂介电常数升高会削弱静电吸引（如极性溶剂水会降低作用强度），但对H?-π、H?O?-π等强作用体系影响较小。
3.实验中的具体体现这种“可破坏-可重组”的特性，解决了传统共价交联环氧树脂“永久固化、无法回收”的固有缺陷。本实验通过色胺（含吲哚环）提供富π电子体系，Mg2?作为阳离子，二者在80℃反应中通过阳离子-π作用形成动态交联网络。当加入焦磷酸（PPi）时，PPi与Mg2?的配位能力更强，会竞争性取代吲哚环与Mg2?的作用，导致EPI&Mg网络解体并溶解，实现材料的回收。
四、实验材料与仪器
1. 主要试剂E51型环氧树脂、色胺（生物基固化剂）、己二胺（对比用固化剂）、氯化镁（提供Mg2?）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，溶剂）、焦磷（PPi，回收实验用）、二氯甲烷、乙酸乙酯、四氢呋喃（溶剂）
2. 实验仪器烧杯、滴管、载玻片、真空干燥箱、万能试验机（力学性能测试）、超声波清洗器、恒温水浴锅
五、实验步骤
（一）. 线性环氧树脂（EPI）的制备
1. 按1:1摩尔比称取E51型环氧树脂与色胺。
2. 溶解于DMF溶剂中，搅拌均匀。
3. 80℃恒温水浴反应12小时。
4. 冷却后得到线性环氧树脂产物。
（二） 阳离子-π交联环氧树脂（EPI&Mg）的制备
1. 按1:1:0.04摩尔比称取E51型环氧树脂、色胺与氯化镁。
2. 共同溶解于DMF溶剂中，超声混合均匀。
3. 80℃恒温水浴反应12小时。
4. 产物浇筑成膜，真空干燥后备用。
（三） 共价交联环氧树脂（HEPI）的制备（对照组）
1. 按1:1摩尔比称取E51型环氧树脂与己二胺。
2. 溶解于DMF溶剂中，搅拌均匀。
3. 80℃恒温水浴反应12小时。
4. 冷却成型后干燥备用。
（四） 性能测试
1.力学性能测试
1）将三种样品制备成50mm×5mm标准样条。
2） 使用万能拉力机测试拉伸强度和断裂伸长率。
3） 每组样品测试3次，取平均值。
2. 回收循环实验
1） 将EPI&Mg样品破碎后加入含0.2wt%焦磷酸的DMF溶液。
2） 50℃搅拌至完全溶解。
3）倒入去离子水中析出聚合物，过滤并反复冲洗。
4）干燥后重新加入MgCl?制备新样品。
5）测试回收后样品的力学性能。
六、实验结果与讨论
1. 力学性能对比：阳离子-π交联环氧树脂的拉伸强度和断裂伸长率均优于线性环氧树脂，与传统共价交联环氧树脂相当。
2. 回收性能：EPI&Mg样品经回收处理后性能无明显降低，实现循环利用；传统HEPI样品无法溶解回收。
3. 绿色化学特性：生物基原材料降低环境影响，循环利用模式减少废弃物产生，符合"双碳"发展要求。
七、注意事项
1. DMF等有机溶剂具有挥发性，需在通风橱内操作。
2. 反应温度需严格控制，避免温度波动影响产物性能。
3. 样品制备过程中保持实验台面清洁，防止交叉污染。
4. 力学性能测试时注意操作安全，避免样条断裂飞溅。
八、课后讨论
1. 除阳离子-π相互作用外，还有哪些动态非共价键可用于制备可回收热固性材料？
2. 如何进一步优化实验条件以提高新一代环氧树脂的力学性能？
3. 从工业化应用角度考虑，生物基原材料的选择需要考虑哪些因素？
九、实验拓展
思考本实验可进一步探究不同金属阳离子（如Li?、Cu2?）对交联性能的影响，或尝试其他生物基固化剂以提高材料的生物降解性。通过改变交联密度和动态键类型，可调控材料的力学性能和回收效率，为开发更多功能化绿色材料提供实验基础。