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佛羅里達大學Brent Sumerlin教授 RSC Appl. Polym.:基于芳香族生物骨架的高性能聚亞胺基類玻璃化彈性體
2023-07-28  來源:高分子科技

  在過去一個世紀,聚合物(塑料)的商業化推動了社會的快速發展和不斷創新。塑料在現代生活的方方面面發揮著重要作用,尤其在航空航天等領域。其既輕便耐用,且優異的熱穩定性以及機械性能,使得在許多領域中得到廣泛應用。然而,許多聚合物材料力學性能與可循環性之間的“此消彼長”限制了其更進一步的發展,對于它們的再利用和升級回收等提出了挑戰。


  聚合物可以分為熱塑性和熱固性兩種形式。熱塑性材料在加熱時,其內部的聚合物鏈可以自由流動,使得材料可以重塑和回收利用。然而,由于鏈之間相對薄弱的作用力,它們在惡劣條件下表現較差,限制了在高性能材料領域的應用前景,譬如熱屏蔽材料以及燒蝕材料,這些材料需要在高溫下保持穩定。與之對比,熱固性材料的聚合物鏈通過共價鍵牢固交聯在一起。但在交聯作用提供的優異力學表現的同時,熱固性材料缺乏可塑性和回收再利用性。為了彌合這一差距,共價可適應網絡(CANs)應運而生。CANs結合了熱塑性材料的宏觀可逆性以及熱固性材料的穩定性。



  近日,美國佛羅里達大學Brent Sumerlin教授RSC Applied Polymers發表了最新研究性論文High-performance polyimine vitrimers from an aromatic bio-based scaffold,該論文報道了一種新型的三官能香草醛單體的制備方法,該單體是通過對全氟吡啶(PFP)進行親核芳香取代反應(產率為86%)。隨后,將這種三官能芳香骨架與多種二胺進行交聯得到Vitrimer材料。聚合物材料的玻璃轉變溫度(Tg)在9°C147°C之間,降解溫度(質量損失5%)可高達約370°C,在氮氣氛圍下650°C時,焦炭產率可達68%該論文中設計的幾種Vitrimer經歷了五個循環后仍然表現出良好的機械再加工性,并且在溫和條件下進行酸性水解后可迅速進行化學回收。研究結果表明,利用香草醛以及芳香骨架,可以輕松構建具有可調節性能和優異力學行為的Vitrimer,且在熱屏蔽材料和燒蝕涂層等領域展現出巨大潛力


1.三官能芳香骨架彈性體的分子設計結構表征


  該研究采用全氟吡啶(PFP)作為,合成了高芳香性的三(香草基)-3,5-二氟吡啶TVnFP)(見圖1)。隨后,他們采用無催化劑的方法,將TVnFP與四種商業可得的二胺反應,分別是間苯二胺(X)、己二胺(H)、十二胺(D)和Priamine 1074P)。文中采用DCM溶液浸漬的方法制備了四種Vitrimer,以獲得最佳的相容性和機械性能。


  值得注意的是,在TVnFPX之間的縮聚反應中,研究人員采用預干燥的形式將TVn-X粉末化,TVn-H、TVn-D、TVn-P則被剪碎處理。在高溫、降低壓力的條件下將四種Vitrimer粉末壓縮成圓盤和條形樣品。2小時獲得完全愈合的材料,其透明度優異,缺陷極少(見圖2A–D。 


1. TVnFP單體合成的主要特點及合成方案


2. 四種交聯劑(A)間苯二胺(TVn-X)、(B)己二胺(TVn-H)、(C)十二胺(TVn-D)和(DPriamineTVn-P單體進行交聯,通過壓縮成型制備Vitrimer


  DSC分析顯示四種Vitrimer材料的Tg值在147°C9°C范圍內變化,隨著脂肪鏈含量的增加而降低,展示了寬溫域內出色的可調節性能(圖3A)。TVn-X具有明顯較高的Tg值,接近150°C,這證實了處理過程中小顆粒尺寸更具優勢。從FTIR光譜數據中可注意到,在1690 cm?1處,醛基的C=O伸縮振動完全消失,而在約1648 cm?1處出現了亞胺基的C=N伸縮振動(圖3B)。 


3.(A)通過疊加顯示的DSC曲線;(B)通過疊加顯示FTIR譜圖


  TGA分析顯示,四種Vitrimer材料具有優異的熱穩定性,其起始分解溫度(質量損失5%的溫度,Td, 5%)在301°C366°C之間(圖4)。其中,TVn-XTVn-H650 °C下分別表現68%55%優異炭產率。TVn-DTVn-P分別為36%15%的殘余質量,炭產率大幅下降值得注意的是,TVn-X表現出迄今為止任何報道的基于香草醛的聚亞胺Vitrimer材料的最高炭產率Vitrimer體系在燒蝕材料領域展現出巨大應用前景。 


4. 四種VitrimerTGA曲線


2.三官能芳香骨架彈性體的流變學和力學表征


  在DMA譜圖中呈現一定的橡膠平臺,用于計算四種Vitrimer材料恒定的交聯密度。在tanδ)的峰值處測量的Tg值與DSC結果一致(5A-D)。值得注意的是,當溫度范圍增加到260°C時,TVn-X玻璃體顯示出儲能模量的顯著增加,通過DSC分析進一步驗證了此種高溫現象。此外,升溫過程中,TVn-H儲能模量增幅較小,并且DSC譜圖也印證了該結果,該現象在三個加熱循環期間都可觀察到。TVn-DTVn-P升溫過程中沒有表現出儲能模量的顯著增加。 


5四種VitrimerDMA熱分析圖


  蠕變恢復實驗在150°C,5000 Pa的恒定力下維持400 s,隨后恢復200 s,以探究材料在高溫下對變形的敏感性。所有的Vitrimer材料具有顯著的永久變形(6A)。Vitrimer材料的變形傾向隨著材料的Tg降低而增加。雖然TVn-P150°C下的變形急劇增加,但永久變形與其他材料在較低溫度下是一致的。因此,TVn-P加工可以以較低的能量消耗實現。此外,TVn-X在升高的溫度下表現出突出的抗變形性。


  應力松弛實驗與蠕變恢復實驗具有類似的趨勢。在將數據擬合到阿倫尼烏斯定律后,TVn-XTVn-H、TVn-DTVn-PEa值分別為785、129、12671.6 kJ mol?16B)。TVn-X的高Ea值可能是由于其不可逆交聯導致的。TVn-HTVn-DEa較為相似。但在所有溫度下,TVn-H的特征弛豫時間明顯高于TVn-D的特征弛豫時間,這是由于兩種材料之間的Tg差異導致的。這些結果表明粘彈性行為(抗蠕變性和溫度敏感性)可被調控改變, Vitrimer材料具有可定制的流動行為和熱機械強度。 


6.A)在150 °C,5000 Pa的恒定力下四種Vitrimer的蠕變-恢復實驗(B) 四種Vitrimer材料應力松弛數據的Arrhenius


  本文中的TVn-P表現為性能最優異的Vitrimer彈性體,因此該論文主要研究了TVn-P的拉伸行為。將拉伸試樣在150 °C減壓下壓模2小時,該Vitrimer材料在室溫下顯示出良好的延伸性和中等的拉伸強度,平均斷裂應力和應變分別為2.9 ± 0.78MPa87 ± 18%。因此,TVnFP基體顯示出具有用于制造優異熱穩定性可再生聚亞胺彈性體的廣泛前景。


3. 官能芳香骨架彈性體的可再加工性和化學降解性


  該論文通過在多個破壞/修復循環中進行DMA測試核驗四種Vitrimer材料的可再加工性。初始TVn-X能夠充分愈合,同時保持良好的透明度,但具有一些表面缺陷。其余Vitrimer材料在五個再加工循環中表現出一定的可再循環性,但也會存在一定的微小缺陷和顏色變暗現象,這可能是由于亞胺或殘留胺的氧化所導致的。FTIR光譜表明,加工循環后的Vitrimer材料良好地保留了原始材料的特征。因此,個破壞/修復的再加工過程中,Vitrimer材料呈現出可觀的可回收性


  由于CANs對化學可逆的敏感性,亞胺交聯組成的材料能夠在溫和的酸性條件下快速有效地水解降解,并且可以通過升高溫度進一步加速材料的降解過程。為了驗證這一理論該論文將原始TVnFP聚合物在室溫下浸入0.1M HCl48小時,TVn-HTVn-P在這些條件下表現出明顯的降解行為,而TVn-XTVn-D幾乎不受影響。然而,當溫度加熱至60°C時,四種Vitrimer材料幾乎完全降解,并且觀察到灰白色沉淀物。通過核磁證實沉淀物TVnFP。因此,TVnFP為骨架制備的Vitrimer材料證實具有優異的力學性能和可回收性,且四種Vitrimer材料都能夠在溫和酸性條件下快速化學降解


  原文鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/lp/d3lp00019b


論文通訊作者簡介:


美國佛羅里達大學Brent Sumerlin教授,現任ACS Macro Letters 副主編,主要聚焦于功能化聚合物的合成與聚合物有效改性修飾、水溶性刺激響應型嵌段聚合物、動態共價化學高分子材料以及智能聚合物-蛋白質生物軛合物的合成等方面。這些高分子材料目前被廣泛用于材料科學領域諸如自愈合材料(Self-healing material),可塑性熱固性樹脂(Vitrimer),3D打印,以及生物醫藥領域。在Nature materials、JACS、Chemical Society Reviews等高水平期刊上發表的論文超過250篇。

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(責任編輯:xu)
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