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四川大學(xué)吳錦榮教授團(tuán)隊(duì)《Chem. Mater.》：強(qiáng)韌材料在玻璃態(tài)下自修復(fù)的新進(jìn)展
2023-01-17  來源：高分子科技

  玻璃態(tài)聚合物具有高模量和高強(qiáng)度，作為結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于車輛、航天器、電子產(chǎn)品和日常用品等領(lǐng)域。目前實(shí)際應(yīng)用的玻璃態(tài)聚合物受損后缺乏有效的自修復(fù)能力，所帶來的安全隱患和塑料污染一直是工業(yè)和社會關(guān)注熱點(diǎn)。同時，現(xiàn)有的玻璃態(tài)自修復(fù)材料大多力學(xué)性能較差或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，限制了這一類材料的實(shí)際應(yīng)用。為了克服這些不足，同時實(shí)現(xiàn)材料在玻璃態(tài)的自修復(fù)具有重要的意義。


圖1 THG的設(shè)計概念和胺基-羧基鹽橋


  近日，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院吳錦榮教授團(tuán)隊(duì)在玻璃態(tài)自修復(fù)材料領(lǐng)域取得了又一重要研究成果。通過在超支化聚合物和高分子量線型共聚物之間構(gòu)筑密集動態(tài)的胺基-羧酸鹽橋，開發(fā)了一類仿疏松結(jié)締組織的堅(jiān)韌且可玻璃態(tài)修復(fù)的復(fù)合物（THG），如圖1。高密度鹽橋使得THG的屈服強(qiáng)度和楊氏模量分別高達(dá)49.7 MPa和1.1 GPa，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）在50 °C以上。超支化聚合物貢獻(xiàn)的較大自由體積和線型共聚物引入的分子纏結(jié)賦予了THG出色的拉伸韌性（高達(dá)91.9 MJ/m3），綜合力學(xué)性能優(yōu)于一些商業(yè)塑料（圖2）。與此同時，在受到機(jī)械損傷后，THG 可以在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下表現(xiàn)出優(yōu)異的自修復(fù)能力，并在Tg附近實(shí)現(xiàn)韌性的有效恢復(fù)（圖3）。進(jìn)一步對THG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)研究表明，其次級松弛（超支化聚合物的支鏈、端基，線型分子的側(cè)基的運(yùn)動）和動態(tài)物理交聯(lián)（胺基-羧酸鹽橋和復(fù)合氫鍵）對THG的自修復(fù)能力起到了主要貢獻(xiàn)（圖4）。這種策略為設(shè)計高強(qiáng)度高韌性玻璃態(tài)自修復(fù)聚合物提供了一種新方法。該工作以“Biomimetic Hybrid Networks with Excellent Toughness and Self-Healing Ability in Glassy State”為題發(fā)表在《Chem. Mater.》上。文章第一作者是四川大學(xué)碩士研究生李維航，吳錦榮教授和東京大學(xué)博士生王豪為通訊作者，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院為通訊作者單位。研究工作得到了葉邦角教授、張宏俊教授、劉輝博士和彭燕博士的支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金委的資助。 


圖2 分子結(jié)構(gòu)對綜合力學(xué)性能的貢獻(xiàn) 


圖3 THG的自修復(fù)性能


圖4 THG的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和分子動力學(xué)研究


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.2c03266

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