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西安交大張彥峰課題組《Chem. Eng. J.》:本征光熱效應(yīng)觸發(fā)聚肟氨酯共價可適網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)交換及其性能
2021-07-13  來源:高分子科技

  共價可適網(wǎng)絡(luò)為解決目前傳統(tǒng)熱固性樹脂無法重塑、回收等問題提供了新的途徑。但目前動態(tài)共價鍵的可逆主要是依靠加熱、加壓或者兩者同時刺激來實現(xiàn),這些刺激方式對具有復(fù)雜幾何形狀的熱固性樹脂的重塑或者熱固性樹脂局部區(qū)域的選擇性重塑具有較大局限性。


  基于上述問題,本研究開發(fā)了一種可利用近紅外光(NIR)觸發(fā)動態(tài)共價交換的可塑聚肟氨酯交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。以對苯醌二肟、Jeffamine D230 和六亞甲基二異氰酸酯三聚體(THDI)為主要原料,在環(huán)保的有機(jī)鉍化合物的催化下,使用密煉機(jī)合成了一類具有本征NIR 光熱效應(yīng)的聚(脲-肟氨酯)熱固性樹脂粉體(PUOUs)。通過熱壓成型,得到黑色的玻璃態(tài) PUOUs 薄膜材料(圖1a)。本研究中 PUOUs 的主要特點表現(xiàn)為:1)PUOUs經(jīng) NIR (λ = 808 nm) 照射 35 s 后表面溫度可達(dá)到 195 °C,高于動態(tài)肟氨酯鍵的快速動態(tài)交換溫度(Tmall),因此可以觸發(fā)動態(tài)肟氨酯鍵的動態(tài)交換,搭接后的聚肟氨酯在界面處可實現(xiàn)遠(yuǎn)程高效的可控焊接(圖1b)。2)基于伯氨基與肟羥基分別與異氰酸酯基反應(yīng)活性的差異,在 PUOUs 材料基體中形成了明顯的聚脲和聚肟氨酯的兩相分離,通過對材料進(jìn)行形狀編程,PUOUs 表現(xiàn)出優(yōu)異的三重形狀記憶性能。通過操控近紅外激光光源,可實現(xiàn)材料形狀記憶的按需恢復(fù)(圖1c)。


  為了探究對苯醌二肟(BQDO)與異氰酸酯反應(yīng)后所形成的肟氨酯鍵的動態(tài)性,本研究設(shè)計了AA與BB兩種模型化合物,并通過核磁與GPC等手段驗證了其動態(tài)特性。首先在不添加D230條件下,采用BQDO和THDI制備POUs。對比無催化條件和分別以二月桂酸二丁基錫(DBTDL)和環(huán)保的2-乙基己酸鉍(U600)作為催化劑所制備的POUs后發(fā)現(xiàn),POU-U600表現(xiàn)出最佳的耐熱性、最高的交聯(lián)密度和拉伸強(qiáng)度及模量、低的動態(tài)交換活化能、以及體系潛在的催化環(huán)保性(圖2)。


圖1. PUOUs的a)制備,b)光熱效應(yīng)及光焊接示意圖,c)選擇性形狀記憶恢復(fù)過程。圖1. PUOUs的a)制備,b)光熱效應(yīng)及光焊接示意圖,c)選擇性形狀記憶恢復(fù)過程。


圖2. POUs的設(shè)計及動態(tài)性。a) 模型化合物AA與BB的動態(tài)交換反應(yīng)式;b) 動態(tài)交換過程的核磁信號變化;c) POUs的熱壓重塑成型示意圖;d) 不同催化體系POUs的耐熱性;e) POU-U600在不同溫度下的應(yīng)力松弛實驗;f) 活化能分析。


  POU-U600的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)為125 °C,交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)高的Tg會影響分子鏈的移動能力,進(jìn)而會限制動態(tài)交換過程的進(jìn)行。為此,本研究通過進(jìn)一步在POU-U600體系中引入非晶的二胺Jeffamine D230,經(jīng)調(diào)整D230與BQDO的相對比例,得到相應(yīng)的PUOU-ab(a, b分別代表BQDO與D230的物質(zhì)的量比)。醚鍵的存在會改善交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的高分子鏈移動能力,實驗發(fā)現(xiàn):PUOUs在65 °C出現(xiàn)新的Tg,尤其樣品PUOU-55和PUOU-73表現(xiàn)出顯著獨立的兩個Tg。這主要是因為,與肟羥基相比,伯氨基與異氰酸酯基的反應(yīng)速度更快,因此會首先在交聯(lián)體系中形成聚脲相,繼而形成聚肟氨酯相。PUOU-73具有最佳的斷裂強(qiáng)度,并可在80 °C表現(xiàn)出最顯著的應(yīng)力松弛現(xiàn)象,同時在高溫下表現(xiàn)出顯著的蠕變性(圖3)。


圖3. PUOUs的表征。a) PUOUs的Tan δ; b) PUOUs的應(yīng)力應(yīng)變曲線;c) PUOUs的應(yīng)力松弛;d) PUOU-73在不同溫度下的蠕變。


  對苯醌二肟特殊的p-π共軛結(jié)構(gòu)使得采用其制備得到的聚肟氨酯經(jīng)熱壓成型后表現(xiàn)為如聚苯胺、碳納米管類似的黑色特征。同時研究發(fā)現(xiàn):線性聚肟氨酯比單純的BQDO具有更長的p-π共軛。采用2.7 W/cm2的近紅外光照射PUOU-73表面35 s,表面溫度可以達(dá)到195 °C,高溫可觸發(fā)肟氨酯鍵的動態(tài)交換,最終可用來實現(xiàn)PUOU-73的光焊接(圖4)。


圖4. PUOU-73的光熱效應(yīng)和光焊接。a) BQDO和線性聚肟氨酯溶液對光的吸收和透過特性;b) 不同輻射強(qiáng)度的近紅外光照射下PUOU-73表面溫度的變化;c) 光焊接實驗;d) 不同焊接時長后PUOU-73的單搭接剪切試驗。


圖5. 形狀記憶行為及光熱響應(yīng)形狀記憶恢復(fù)。a) PUOU-73的雙重形狀記憶過程;b) PUOU-55的三重形狀記憶過程;c) PUOU-55的三重形狀記憶示意;d) 光致選擇性形狀記憶恢復(fù)。


  經(jīng)過編程,PUOU-73可表現(xiàn)出高效的形狀記憶恢復(fù)率和固定率,PUOU-55可表現(xiàn)出優(yōu)異的三重形狀記憶過程,兩次的形狀固定率為76%和90%,形狀恢復(fù)率分別可以達(dá)到100%和91%(圖5)。基于PUOU-73的固態(tài)塑性、光熱效應(yīng)和光致選擇性形狀記憶恢復(fù)等特點,本研究最終加工了一種光響應(yīng)的智能形狀記憶開關(guān)。通過光控操縱PUOU-73從臨時形狀向永久形狀的轉(zhuǎn)變,最終實現(xiàn)電路的通路和斷路(圖6)。


圖6. 近紅外光控智能形狀記憶開關(guān)的構(gòu)筑。a) 卡通示意(上)及實驗(下)展示含智能開關(guān)的并聯(lián)電路。ⅰ) 處于臨時形狀的 Switch A (light ON) 與B (light OFF); ⅱ) NIR照射后A開關(guān)的形狀記憶恢復(fù) (light OFF); ⅲ) NIR照射后B開關(guān)的形狀記憶恢復(fù)(light ON). b) PUOU-73開關(guān)的工作細(xì)節(jié),ⅰ) Switch A ON; ⅱ) Switch A OFF; ⅲ) Switch B OFF; Ⅳ) Switch B ON.


  相關(guān)工作近期以“NIR-Triggered Dynamic Exchange and Intrinsic Photothermal-Responsive Covalent Adaptable Networks”為題,在期刊Chemical Engineering Journal上發(fā)表。西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生陳興幸為該論文的第一作者,西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張彥峰研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金(NSFC 51873170)、陜西省國際科技合作計劃項目(2020KW-062)、陜西省重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈(No. 2019ZDLGY02-02)和西安市科技局重點實驗室建設(shè)項目等的資助。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131212

  Chen, X.; Wang, R.; Cui, C.; An, L.; Zhang, Q.; Cheng, Y.; Zhang Y. * NIR-Triggered Dynamic Exchange and Intrinsic Photothermal-Responsive Covalent Adaptable Networks. Chemical Engineering Journal 2021, 131212. 

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