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  聚合物強(qiáng)度和韌性是一對(duì)公認(rèn)的矛盾。在聚合物體系中引入氫鍵、配位等非共價(jià)交聯(lián)可有效提高材料的強(qiáng)度和韌性，然而該方法僅僅適用于柔性的彈性體和凝膠體系。在剛性的聚合物體系中分子鏈構(gòu)象調(diào)節(jié)能力顯著下降，材料在受到拉伸過(guò)程中非共價(jià)鍵斷裂后重構(gòu)變得困難；另外，這些傳統(tǒng)的非共價(jià)鍵的鍵能相對(duì)較弱，斷裂時(shí)能量耗散較低。因此通過(guò)傳統(tǒng)非共價(jià)鍵作為聚合物交聯(lián)方式很難同時(shí)提高聚合物的強(qiáng)度和韌性。

  近日，西南科技大學(xué)常冠軍團(tuán)隊(duì)在Advanced Functional Materials上發(fā)表文章“Force-Reversible and Energetic Indole-Mg-Indole Cation-π Interaction for Designing Toughened and Multifunctional High-Performance Thermosets”，報(bào)道了一種力致可逆高能陽(yáng)離子-π交聯(lián)方法。該交聯(lián)模式具有兩大優(yōu)勢(shì)：（1）交聯(lián)點(diǎn)作用面積大，當(dāng)材料受到外力變形時(shí)，該交聯(lián)點(diǎn)的斷裂與重構(gòu)相對(duì)容易，增加了材料破壞前交聯(lián)點(diǎn)斷裂與重構(gòu)次數(shù)；（2）交聯(lián)點(diǎn)鍵能與共價(jià)鍵相當(dāng)，斷裂作用力處于傳統(tǒng)共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵之間，當(dāng)材料受到外力變形時(shí)，該交聯(lián)點(diǎn)可先于共價(jià)鍵斷裂。基于以上優(yōu)勢(shì)，當(dāng)材料受到外力變形時(shí)，不僅可以保證聚合物網(wǎng)絡(luò)的完整性，而且還可以做到最大程度的能量耗散。從宏觀上表現(xiàn)為聚合物的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高，規(guī)避了剛性骨架聚合物強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，為構(gòu)筑新一代高強(qiáng)韌可回收熱固性樹(shù)脂提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法。

圖1. 陽(yáng)離子-π交聯(lián)聚合物制備過(guò)程（以環(huán)氧類聚合物為例）。

  該工作所報(bào)道的動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物具有優(yōu)異的力學(xué)性能。交聯(lián)后聚合物拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均得到大幅度提高。拉伸強(qiáng)度達(dá)到108 Mpa，同時(shí)斷裂伸長(zhǎng)率提高到21.1%。聚合物拉伸強(qiáng)度和延展性得到同時(shí)提升。在不同的拉伸應(yīng)變下，這種三明治結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子-π交聯(lián)方式（indole-Mg-indole）表現(xiàn)出不同的斷裂與重構(gòu)模式。與傳統(tǒng)環(huán)氧樹(shù)脂相比，其強(qiáng)度和韌性均得到明顯提升。

圖2. 動(dòng)態(tài)陽(yáng)離子-π交聯(lián)聚合物的力學(xué)行為。

  傳統(tǒng)的熱固性樹(shù)脂（例如，環(huán)氧樹(shù)脂）一般不能再次回收利用。該工作所報(bào)道的動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易的回收再生。該類熱固性聚合物不僅可通過(guò)溶液的方法回收，也可采用熱壓的方法實(shí)現(xiàn)重鑄。

圖3. 動(dòng)態(tài)陽(yáng)離子-π交聯(lián)聚合物的回收再利用方法。

  該工作所報(bào)道的動(dòng)態(tài)交聯(lián)聚合物還具有自預(yù)警、自修復(fù)特性。通過(guò)聚合物在受到破壞時(shí)熒光的明顯改變可實(shí)現(xiàn)破壞缺陷的自預(yù)警，進(jìn)而通過(guò)簡(jiǎn)易的離子溶液處理可實(shí)現(xiàn)材料的自修復(fù)。此外，利用分子間高能陽(yáng)離子-π相互作用的重建可實(shí)現(xiàn)聚合物的高強(qiáng)粘接。

圖4. 動(dòng)態(tài)陽(yáng)離子-π交聯(lián)聚合物的自預(yù)警、自修復(fù)和粘接行為。

  西南科技大學(xué)楊莉副教授為該論文第一作者，西南科技大學(xué)常冠軍教授和倫敦大學(xué)學(xué)院蘭陽(yáng)博士為通訊作者。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大專項(xiàng)基金、四川省杰出青年科技人才基金、環(huán)境友好能源材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金、中國(guó)工程物理研究院創(chuàng)新發(fā)展基金等基金的資助。

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202111021

作者簡(jiǎn)介

常冠軍，教授，博士生導(dǎo)師，環(huán)境友好能源材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)訪問(wèn)助理教授，四川省杰出青年科技人才，中國(guó)（綿陽(yáng)）科技城高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。擔(dān)任國(guó)際先進(jìn)材料與制造工程學(xué)會(huì)中國(guó)大陸總會(huì)聚合物發(fā)泡與多孔材料專業(yè)委員會(huì)副主任委員、全國(guó)塑料標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)再生塑料工作組委員、中國(guó)（綿陽(yáng)）科技城科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)常務(wù)委員等職務(wù)。圍繞國(guó)家重大工程和軍民融合戰(zhàn)略，長(zhǎng)期致力于動(dòng)態(tài)鍵驅(qū)動(dòng)高性能聚合物的研發(fā)工作。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，國(guó)家重大專項(xiàng)、裝備預(yù)研等縱向基金20余項(xiàng)。以第一作者和通訊作者在Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Macromolecules等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文86篇。以第一發(fā)明人授權(quán)美國(guó)發(fā)明專利5項(xiàng)、中國(guó)發(fā)明專利12項(xiàng)。