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上海交大陳玉潔、UCLA賀曦敏團(tuán)隊(duì) Nano Lett.:高強(qiáng)度、光誘導(dǎo)雙重形狀可編程的共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)
2022-10-31  來(lái)源:高分子科技


  形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer)作為一類近年來(lái)快速發(fā)展的智能材料,能夠?qū)崿F(xiàn)在穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)間的形狀轉(zhuǎn)變。但是,主流的形狀記憶聚合物只能實(shí)現(xiàn)對(duì)于暫態(tài)的編程行為,這大大限制了其應(yīng)用的場(chǎng)合。如果能夠?qū)Ψ(wěn)態(tài)進(jìn)行編程,則意味著在沒(méi)有熵變的情況下能夠完成對(duì)初始狀態(tài)的重塑,這將把材料的形狀控制性提升至新的維度。在之前的研究中,熱固性的聚氨酯材料由于其交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),兼具出色的機(jī)械性能、形狀記憶效應(yīng)與穩(wěn)定性,但也不可避免地具有難降解的特點(diǎn)。


  共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)(Covalent Adaptable Networks)為上述問(wèn)題提供了解決辦法,其作為熱塑性與熱固性材料的橋梁,通過(guò)動(dòng)態(tài)的鍵交換反應(yīng),使得熱固性材料具有一定的熱塑性行為。但是,大部分的共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)很難兼具出色的力學(xué)性能與形狀記憶效應(yīng),并且?guī)缀跛泄矁r(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的塑性行為都是基于熱刺激,這種直接引發(fā)很大程度上限制了材料的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境。因此,采用遠(yuǎn)程、無(wú)毒的可見(jiàn)或近紅外光作為刺激源,可以精準(zhǔn)地控制材料的形變行為,無(wú)疑是更佳的選擇。同時(shí),相比于傳統(tǒng)的金屬氧化物、碳材料等光熱轉(zhuǎn)化顆粒而言,MXene作為一種新型的二維材料,在表現(xiàn)出良好光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)的同時(shí),具有出色的透明度而非黑色。然而,關(guān)于MXene光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)影響因素的研究大多只是停留在表面,亟待研究者們進(jìn)一步探索。


圖1 MXene/PU復(fù)合材料的制備以及MXene的相關(guān)表征。


  針對(duì)上述問(wèn)題,上海交通大學(xué)陳玉潔副研究員和加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏副教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種MXene/PU的納米復(fù)合材料。研究者通過(guò)熔融鹽法對(duì)MAX進(jìn)行刻蝕,制備了一系列具有不同金屬元素插層以及不同層數(shù)的MXene,其中Co-d-MXene展現(xiàn)出了最佳的光熱轉(zhuǎn)化性能,在可見(jiàn)光或近紅外光輻射下,均可達(dá)到240℃以上。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)與模擬分析,MXene的結(jié)構(gòu)參數(shù)與光學(xué)參數(shù)均對(duì)其性能有關(guān)鍵的影響。 


圖2 MXene/PU復(fù)合材料的物理與熱機(jī)械性能。


  將MXene引入到聚氨酯交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)之后,由于顆粒增強(qiáng)效應(yīng)與氫鍵作用,復(fù)合材料的機(jī)械性能進(jìn)一步提升(拉伸強(qiáng)度與斷裂應(yīng)變最高為16.31 MPa和1042%),綜合性能由于常見(jiàn)的共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)。同時(shí),動(dòng)態(tài)力學(xué)分析表明該符合材料可以實(shí)現(xiàn)完全的應(yīng)力釋放,滿足Arrhenius公式,具有熱塑性,可以實(shí)現(xiàn)基于動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的拓?fù)滢D(zhuǎn)變行為。此外,在低于100℃的環(huán)境中,復(fù)合材料仍表現(xiàn)出優(yōu)異的基于熵彈性的形狀記憶效應(yīng)。因此,復(fù)合材料可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)彈性的形狀記憶行為與塑性的拓?fù)渲貥?gòu),二者分別基于互不干涉的熔融溫度(Tm)與鍵交換引發(fā)溫度(Ti)。 


圖3 MXene/PU復(fù)合材料的光響應(yīng)行為。


  經(jīng)過(guò)測(cè)試,復(fù)合材料在0.50和1.00 W cm?2的光照下、在200 s內(nèi)分別可達(dá)98.8和157.4℃,因此這兩種光強(qiáng)可以分別被用于引發(fā)形狀記憶效應(yīng)與拓?fù)滢D(zhuǎn)變,即所謂的光誘導(dǎo)雙重形狀可編程行為。并且,由于聚氨酯體系在升溫后會(huì)出現(xiàn)明顯的結(jié)晶度變化,從而導(dǎo)致宏觀的透明度變化,復(fù)合材料具有被用于信息識(shí)別、光致書寫、柔性顯示等領(lǐng)域的潛力。 


圖4 MXene/PU復(fù)合材料的可重構(gòu)以及多重編程能力。


  除此之外,基于拓?fù)滢D(zhuǎn)變,復(fù)合材料展現(xiàn)出了光致自修復(fù)以及熱壓可重構(gòu)的能力,經(jīng)過(guò)多次重構(gòu)后仍具有良好的力學(xué)性能與雙重形狀編程行為。綜上所述,此類材料兼具了弱光引發(fā)暫態(tài)形狀記憶、強(qiáng)光引發(fā)穩(wěn)態(tài)拓?fù)滢D(zhuǎn)變、熱壓可重構(gòu)的多重形狀編程能力,在提升綜合形狀記憶性能的同時(shí)解決了形狀記憶聚合物回收的痛點(diǎn)。相關(guān)工作成果發(fā)表在Nano Letters上海交通大學(xué)博士研究生陳馳為文章的第一作者,上海交通大學(xué)陳玉潔副研究員和加州大學(xué)洛杉磯分校賀曦敏副教授為通訊作者。


  原為鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02181

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